JP2024515595A - Determining confidence indicators for deep learning image reconstruction in computed tomography - Google Patents

Determining confidence indicators for deep learning image reconstruction in computed tomography Download PDF

Info

Publication number
JP2024515595A
JP2024515595A JP2023562481A JP2023562481A JP2024515595A JP 2024515595 A JP2024515595 A JP 2024515595A JP 2023562481 A JP2023562481 A JP 2023562481A JP 2023562481 A JP2023562481 A JP 2023562481A JP 2024515595 A JP2024515595 A JP 2024515595A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
image
basis
reconstructed
uncertainty
confidence
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2023562481A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
パーソン,マット
エグイザヴァル,アルマ
ダニエルソン,マット
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Prismatic Sensors AB
Original Assignee
Prismatic Sensors AB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Prismatic Sensors AB filed Critical Prismatic Sensors AB
Publication of JP2024515595A publication Critical patent/JP2024515595A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T11/002D [Two Dimensional] image generation
    • G06T11/003Reconstruction from projections, e.g. tomography
    • G06T11/006Inverse problem, transformation from projection-space into object-space, e.g. transform methods, back-projection, algebraic methods
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/02Arrangements for diagnosis sequentially in different planes; Stereoscopic radiation diagnosis
    • A61B6/03Computed tomography [CT]
    • A61B6/032Transmission computed tomography [CT]
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/48Diagnostic techniques
    • A61B6/482Diagnostic techniques involving multiple energy imaging
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/52Devices using data or image processing specially adapted for radiation diagnosis
    • A61B6/5211Devices using data or image processing specially adapted for radiation diagnosis involving processing of medical diagnostic data
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/02Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material
    • G01N23/04Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and forming images of the material
    • G01N23/046Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and forming images of the material using tomography, e.g. computed tomography [CT]
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00Computing arrangements based on biological models
    • G06N3/02Neural networks
    • G06N3/04Architecture, e.g. interconnection topology
    • G06N3/045Combinations of networks
    • G06N3/0455Auto-encoder networks; Encoder-decoder networks
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00Computing arrangements based on biological models
    • G06N3/02Neural networks
    • G06N3/04Architecture, e.g. interconnection topology
    • G06N3/047Probabilistic or stochastic networks
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00Computing arrangements based on biological models
    • G06N3/02Neural networks
    • G06N3/08Learning methods
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T11/002D [Two Dimensional] image generation
    • G06T11/003Reconstruction from projections, e.g. tomography
    • G06T11/005Specific pre-processing for tomographic reconstruction, e.g. calibration, source positioning, rebinning, scatter correction, retrospective gating
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T11/002D [Two Dimensional] image generation
    • G06T11/003Reconstruction from projections, e.g. tomography
    • G06T11/008Specific post-processing after tomographic reconstruction, e.g. voxelisation, metal artifact correction
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2223/00Investigating materials by wave or particle radiation
    • G01N2223/40Imaging
    • G01N2223/401Imaging image processing
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2223/00Investigating materials by wave or particle radiation
    • G01N2223/40Imaging
    • G01N2223/419Imaging computed tomograph
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2223/00Investigating materials by wave or particle radiation
    • G01N2223/40Imaging
    • G01N2223/423Imaging multispectral imaging-multiple energy imaging
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2211/00Image generation
    • G06T2211/40Computed tomography
    • G06T2211/408Dual energy
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2211/00Image generation
    • G06T2211/40Computed tomography
    • G06T2211/441AI-based methods, deep learning or artificial neural networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Computational Linguistics (AREA)
  • Pulmonology (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Probability & Statistics with Applications (AREA)

Abstract

コンピュータ断層撮影(CT)における機械学習画像再構成のための1つ以上の信頼度表示を決定するための方法及びシステムが提供される。この方法は、(S1)エネルギー分解X線データを取得することと、(S2)少なくとも1つの機械学習システムに基づいてエネルギー分解X線データを処理して、少なくとも1つの再構成基底画像又はその画像特徴の事後確率分布の表現を生成することとを備える。本方法は更に、事後確率分布の表現に基づいて、前記少なくとも1つの再構成基底画像、又は前記少なくとも1つの再構成基底画像に由来する少なくとも1つの派生画像、又は前記少なくとも1つの再構成基底画像又は前記少なくとも1つの派生画像の画像特徴に対する1つ以上の信頼度表示を生成する(S3)ことを含む。【選択図】図6AA method and system for determining one or more confidence indications for machine learning image reconstruction in computed tomography (CT) is provided. The method comprises (S1) acquiring energy resolved X-ray data, and (S2) processing the energy resolved X-ray data based on at least one machine learning system to generate a representation of a posterior probability distribution of at least one reconstructed basis image or image features thereof. The method further comprises (S3) generating one or more confidence indications for the at least one reconstructed basis image, or at least one derived image derived from the at least one reconstructed basis image, or image features of the at least one reconstructed basis image or the at least one derived image based on the representation of the posterior probability distribution.

Description

提案される技術は、X線技術、X線イメージング、および対応するイメージング再構成およびイメージングタスクに関する。特に、提案される技術は、コンピュータ断層撮影(CT:Computed Tomography)における深層学習画像再構成のための信頼度表示(confidence indications:信頼性指標)を決定するための方法およびシステム、スペクトルCTにおける深層学習画像再構成(deep-learning image reconstruction)のための不確実性マップを生成するための方法およびシステム、ならびに対応する画像再構成システムおよびX線撮像システム、ならびに関連するコンピュータプログラムおよびコンピュータプログラム製品に関する。 The proposed techniques relate to X-ray technology, X-ray imaging, and corresponding imaging reconstructions and imaging tasks. In particular, the proposed techniques relate to methods and systems for determining confidence indications for deep-learning image reconstruction in Computed Tomography (CT), methods and systems for generating uncertainty maps for deep-learning image reconstruction in Spectral CT, and corresponding image reconstruction and X-ray imaging systems, as well as related computer programs and computer program products.

X線画像などの放射線画像は、医療用途や非破壊検査に長年使用されてきた。 Radiological images, such as X-ray images, have been used for many years for medical applications and non-destructive testing.

通常、X線撮像システムは、X線源と、1つまたは多数の検出器素子(X線強度/影響度を測定する独立した手段)を含む複数の検出器を含むX線検出器アレイとを含む。X線源はX線を放出し、X線は被写体または撮像対象物を透過した後、検出器アレイによって登録される。X線を吸収する物質が他の物質よりも多いため、被写体または物体の画像が形成される。 Typically, an x-ray imaging system includes an x-ray source and an x-ray detector array that includes multiple detectors, each containing one or many detector elements (independent means of measuring x-ray intensity/influence). The x-ray source emits x-rays, which pass through the subject or object being imaged and are registered by the detector array. Some materials absorb x-rays more than others, forming an image of the subject or object.

X線画像検出器の課題は、検出されたX線から最大限の情報を抽出し、物体や被写体の画像に入力することである。 The challenge of an X-ray imaging detector is to extract the maximum amount of information from the detected X-rays and enter it into an image of the object or subject.

一般的な医療用X線画像システムでは、X線はX線管によって生成される。一般的な医療用X線管のエネルギースペクトルは幅広く、ゼロから180keVの範囲に及ぶ。そのため、検出器は通常、さまざまなエネルギーのX線を検出する。 In a typical medical x-ray imaging system, x-rays are generated by an x-ray tube. A typical medical x-ray tube has a broad energy spectrum, ranging from zero to 180 keV. Therefore, the detector typically detects x-rays of a range of energies.

図1を参照して、例示的な全体的なX線撮像システムの概要を簡単に説明することが有用であろう。この例示的であるが非限定的な実施例では、X線撮像システム100は、基本的に、X線源10、X線検出器システム20、及び関連する画像処理システム又は装置30から構成される。一般に、X線検出器システム20は、X線源10からの放射線を登録(register)するように構成され、任意選択でX線光学系によって集束され、対象物、被写体又はその一部を通過した放射線を登録する。X線検出器システム20は、画像処理システム30による画像処理及び/又は画像再構成を可能にするために、少なくとも部分的にX線検出器システム20に統合されている適切なアナログ及び読み出し電子機器を介して画像処理システム30に接続可能である。 It may be useful to provide a brief overview of an exemplary overall X-ray imaging system with reference to FIG. 1. In this exemplary but non-limiting example, the X-ray imaging system 100 essentially consists of an X-ray source 10, an X-ray detector system 20, and an associated image processing system or device 30. In general, the X-ray detector system 20 is configured to register radiation from the X-ray source 10, optionally focused by X-ray optics, and passing through an object, subject, or part thereof. The X-ray detector system 20 is connectable to the image processing system 30 via suitable analog and readout electronics that are at least partially integrated into the X-ray detector system 20 to enable image processing and/or image reconstruction by the image processing system 30.

一例として、X線コンピュータ断層撮影(CT)システムは、被写体又は物体の投影画像を少なくとも180度をカバーする異なる視野角(view angles:ビューアングル)で取得できるように配置されたX線源及びX線検出器を含む。これは、最も一般的には、被写体または物体の周りを回転できる支持体上に線源と検出器を取り付けることによって達成される。異なる視野角について異なる検出器要素(detector elements)に登録された投影を含む画像はサイノグラムと呼ばれ、以下では、検出器が二次元であっても、異なる視野角について異なる検出器要素に登録された投影の集合をサイノグラムと呼び、サイノグラムを三次元画像とする。 As an example, an X-ray computed tomography (CT) system includes an X-ray source and an X-ray detector arranged to allow projection images of a subject or object to be acquired at different view angles covering at least 180 degrees. This is most commonly achieved by mounting the source and detector on a support that can be rotated around the subject or object. An image containing projections registered onto different detector elements for different view angles is called a sinogram, and in the following, even if the detector is two-dimensional, the collection of projections registered onto different detector elements for different view angles is called a sinogram, and a sinogram is a three-dimensional image.

X線イメージングのさらなる発展は、エネルギー分解X線イメージングであり、スペクトルX線イメージングとしても知られている。これは、線源を2つの異なる発光スペクトルの間で高速に切り替えさせるか、異なるX線スペクトルを放出する2つ以上のX線源を使用するか、またはより顕著に、入射放射線を2つ以上のエネルギーレベルで測定するエネルギー弁別検出器を使用することによって達成することができる。このような検出器の一例は、マルチビン光子計数検出器(multi-bin photon-counting detector)であり、登録された各光子は、一組の閾値と比較される電流パルスを生成し、それにより、多数のエネルギービンの各々に入射した光子の数を計数する。 A further development of X-ray imaging is energy-resolved X-ray imaging, also known as spectral X-ray imaging. This can be achieved by having the source rapidly switch between two different emission spectra, by using two or more X-ray sources that emit different X-ray spectra, or, more prominently, by using an energy-discriminating detector that measures the incident radiation at two or more energy levels. One example of such a detector is a multi-bin photon-counting detector, where each registered photon produces a current pulse that is compared to a set of thresholds, thereby counting the number of photons incident on each of a number of energy bins.

スペクトルX線投影測定では、通常、各エネルギーレベルの投影画像が得られる。Tapsovaara and Wagner,「SNR and DQE analysis of broadspectrum X-ray Imaging」,Rhys.Med.Biol.30,519に説明されたように、これらの加重合計を作成して、指定されたイメージングタスクのコントラスト対ノイズ比(CNR)を最適化できる。 In spectral X-ray projection measurements, projection images are typically obtained for each energy level. A weighted sum of these can be made to optimize the contrast-to-noise ratio (CNR) for a given imaging task, as described in Tapsovaara and Wagner, "SNR and DQE analysis of broadspectrum X-ray imaging," Rhys. Med. Biol. 30, 519.

エネルギー分解X線イメージングが可能にするもう一つの技術は、基底物質分解(basis material decomposition)である。この手法は、人体組織のような原子番号の小さい元素から構成される物質はすべて、エネルギー依存性が2つの基底関数の線形結合として近似的に表現できる線形減衰係数凡(E)を持つという事実を利用する。

Figure 2024515595000003
Another technique that energy-resolved X-ray imaging makes possible is basis material decomposition, which exploits the fact that all materials composed of elements with low atomic numbers, such as human tissue, have a linear attenuation coefficient (E) whose energy dependence can be approximately expressed as a linear combination of two basis functions.
Figure 2024515595000003

ここで、fとfは基底関数、a1とaは対応する基底係数である。より一般的には、fは基底関数であり、a1は対応する基底係数である。イメージングに使用されるエネルギー範囲にK吸収端(K-absorption edge)が存在するのに十分な高原子番号の元素がイメージング体積中に1つ以上存在する場合、そのような元素ごとに1つの基底関数を追加しなければならない。医療用イメージングの分野では、このようなK吸収端元素は、典型的には、造影剤として使用される物質であるヨウ素またはガドリニウムであり得る。 where f1 and f2 are basis functions and a1 and a2 are corresponding basis coefficients. More generally, f1 is a basis function and a1 is the corresponding basis coefficient. If there are one or more elements in the imaging volume with sufficiently high atomic number that their K-absorption edges lie in the energy range used for imaging, one basis function must be added for each such element. In the field of medical imaging, such K-edge elements might typically be iodine or gadolinium, which are substances used as contrast agents.

基底物質分解については、Alvarez and Macovski,「Energy-selective reconstructions in X-ray computerised tomography」、Phys.Med.Biol.21、733に記載されており、基底物質分解では、i=1…N(Nは基底関数の数)について各基底係数の積分Ai=∫dlが、線源から検出器要素への各投影線lにおける測定データから推定される。ある実装では、これはまず、各エネルギービンにおける予想登録計数をAの関数として表現することによって達成される。
Basis material decomposition is described in Alvarez and Macovski, "Energy-selective reconstructions in X-ray computed tomography," Phys. Med. Biol. 21, 733, in which the integral of each basis coefficient Ai = ∫ l a i dl, for i = 1...N, where N is the number of basis functions, is estimated from the measured data at each projection line l from the source to the detector element. In one implementation, this is accomplished by first expressing the expected registration counts at each energy bin as a function of Ai .

ここで、λはエネルギービンiに期待される計数(カウント数)、Eはエネルギー、Sは被写体に入射するスペクトル形状、検出器の量子効率及び、エネルギーEを持つX線に対するエネルギービンiの感度に依存する応答関数である。「エネルギービン(energy bin)」という用語は光子計数検出器に対して最も一般的に使用されるが、この式は多層検出器(multi-layer detectors)やkVpスイッチング線源のような他のエネルギー分解X線システムも表すことができる。 where λ i is the expected count in energy bin i, E is the energy, and S i is a response function that depends on the spectral shape incident on the object, the quantum efficiency of the detector, and the sensitivity of energy bin i to x-rays with energy E. Although the term "energy bin" is most commonly used for photon counting detectors, this formula can also describe other energy resolving x-ray systems such as multi-layer detectors and kVp switching sources.

次に、各ビンの計数がポアソン分布の確率変数であるという仮定の下で、最尤法(maximum likelihood method)を用いてAiを推定することができる。これは、負の対数尤度関数(negative log-likelihood function)を最小化することによって達成される。Roessl and Proksa,「K-edge imaging in X-ray computed tomography using multi-bin photon counting detectors」、Phys.Med.Biol.52(2007),4679-4696を参照。
ここで、mはエネルギービンiの測定計数、Mはエネルギービンの数である。
Then, under the assumption that the counts in each bin are Poisson-distributed random variables, Ai can be estimated using the maximum likelihood method. This is accomplished by minimizing the negative log-likelihood function. See Roessl and Proksa, "K-edge imaging in X-ray computed tomography using multi-bin photon counting detectors," Phys. Med. Biol. 52 (2007), 4679-4696.
where m i is the measurement count for energy bin i and M b is the number of energy bins.

その結果、各投影線に対する推定された基底係数線積分優i(上リング付きAにi)を画像行列に配置すると、各基底iに対する物質固有の投影画像(基底画像とも呼ばれる)が得られる。この基底画像は、直接見ることもできるし(投影X線イメージングなど)、物体内部の基底係数aのマップ(CTなど)を形成する再構成アルゴリズムへの入力として取り込むこともできる。いずれにせよ、基底分解の結果は、基底係数の線積分や基底係数自体のような1つ以上の基底画像表現とみなすことができる。 As a result, arranging the estimated basis coefficient line integrals ai (with upper ring ai) for each projection line into an image matrix gives material-specific projection images (also called basis images) for each basis i. These basis images can be viewed directly (e.g., projection x-ray imaging) or taken as input to a reconstruction algorithm that forms a map of the basis coefficients ai inside the object (e.g., CT). In either case, the result of the basis decomposition can be viewed as one or more basis image representations, such as line integrals of the basis coefficients or the basis coefficients themselves.

物体内部の基底係数aのマップは、基底マテリアル画像、基底画像、マテリアル画像、マテリアル固有画像、マテリアルマップ、または基底マップ(a basis material image, a basis image, a material image, a material-specific image, a material map or a basis map)と呼ばれる。 The map of basis coefficients ai inside an object is called a basis material image, a basis image, a material image, a material-specific image, a material map or a basis map.

しかし、この手法や他の手法のよく知られた限界は、推定線積分の分散(the variance of the estimated line integrals)が通常、基底分解に使用される基底の数とともに増加することである。とりわけ、これは組織の定量化の向上と画像ノイズの増加との間の不運なトレードオフをもたらす。 However, a well-known limitation of this and other techniques is that the variance of the estimated line integrals typically increases with the number of bases used in the basis decomposition. Among other things, this results in an unfortunate trade-off between improved tissue quantification and increased image noise.

さらに、2つ以上の基底関数を用いて正確な基底分解を行うことは実際には難しく、アーチファクトやバイアス、過剰なノイズ(artifacts, bias or excessive noise)が発生する可能性がある。また、このような基底分解は、正確な結果を得るために、大規模な較正測定とデータの前処理を必要とする場合がある。 Furthermore, performing accurate basis decompositions using more than two basis functions is difficult in practice and may introduce artifacts, bias or excessive noise. Such basis decompositions may also require extensive calibration measurements and data preprocessing to obtain accurate results.

多くの画像再構成タスクは本質的に複雑であるため、人工知能(Al)や深層学習のような機械学習が一般的な画像再構成に使用され始め、満足のいく結果が得られている。しかし、深層学習のような機械学習による画像再構成における現在の問題点は、その説明可能性の低さである。画像は一見、ノイズレベルが非常に低いように見えても、実際にはニューラルネットワーク推定器のバイアスによる誤差を含んでいる。 Since many image reconstruction tasks are inherently complex, artificial intelligence (AI) and machine learning such as deep learning have begun to be used for general image reconstruction, with satisfactory results. However, a current problem with image reconstruction using machine learning such as deep learning is its low explainability. Even if an image appears to have a very low noise level at first glance, it actually contains errors due to the bias of the neural network estimator.

したがって、コンピュータ断層撮影(CT)のための深層学習画像再構成のような機械学習画像再構成において、信頼性および/または説明可能性(explainability)を向上させる必要性がある。 Therefore, there is a need to improve reliability and/or explainability in machine learning image reconstruction, such as deep learning image reconstruction for computed tomography (CT).

Tapsovaara and Wagner,「SNR and DQE analysis of broadspectrum X-ray Imaging」,Rhys.Med.Biol.30,519Tapsovaara and Wagner, "SNR and DQE analysis of broadspectrum X-ray imaging," Rhys. Med. Biol. 30,519 Alvarez and Macovski,「Energy-selective reconstructions in X-ray computerised tomography」、Phys.Med.Biol.21、733Alvarez and Macovski, "Energy-selective reconstructions in X-ray computed tomography," Phys. Med. Biol. 21,733 Roessl and Proksa,「K-edge imaging in X-ray computed tomography using multi-bin photon counting detectors」、Phys.Med.Biol.52(2007),4679-4696Roessl and Proksa, "K-edge imaging in X-ray computed tomography using multi-bin photon counting detectors," Phys. Med. Biol. 52 (2007), 4679-4696

一般に、X線画像応用のための画像再構成に関する改良を提供することが望ましい。 In general, it is desirable to provide improvements in image reconstruction for x-ray imaging applications.

本発明の目的は、コンピュータ断層撮影(CT)における深層学習画像再構成などの機械学習画像再構成の信頼度表示を決定する方法を提供することである。 The object of the present invention is to provide a method for determining a confidence indication of a machine learning image reconstruction, such as a deep learning image reconstruction in computed tomography (CT).

本発明は、スペクトルCTにおける深層学習画像再構成などの機械学習画像再構成のための不確定性マップ生成方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a method for generating an uncertainty map for machine learning image reconstruction, such as deep learning image reconstruction in spectral CT.

また、コンピュータ断層撮影(CT)における深層学習画像再構成などの機械学習画像再構成の信頼度表示を決定するシステムを提供することも目的とする。 It is also an object of the present invention to provide a system for determining a reliability indication for machine learning image reconstructions, such as deep learning image reconstructions in computed tomography (CT).

別の目的は、スペクトルCTにおける深層学習画像再構成などの機械学習画像再構成のための不確実性マップを生成するシステムを提供することである。 Another object is to provide a system for generating uncertainty maps for machine learning image reconstruction, such as deep learning image reconstruction in spectral CT.

さらに別の目的は、対応する画像再構成システムを提供することである。 Yet another object is to provide a corresponding image reconstruction system.

さらに別の目的は、全体的なX線画像システムを提供することである。 Yet another object is to provide an overall X-ray imaging system.

さらに、対応するコンピュータプログラムおよびコンピュータプログラム製品を提供することも目的である。 It is a further object to provide corresponding computer programs and computer program products.

これらおよび他の目的は、提案された技術の1つまたは複数の実施形態によって達成され得る。 These and other objectives may be achieved by one or more embodiments of the proposed technology.

本発明者らは、深層学習画像再構成のような機械学習画像再構成から得られる画像を信頼できるようにするためには、再構成画像(値:values)に対する信頼の程度(degree of confidence)を定量化するか、そうでなければ信頼の表示(indication)又は表現(representation)を決定することが非常に望ましいことに気付いた。これは、理論的には物質組成の定量的に正確なマップを生成することが可能であるが、特に3基底分解(three-basis decomposition)ではノイズレベルが高いため、深層学習再構成法などの機械学習画像再構成を画像再構成チェーンの重要な構成要素として使用しなければならない可能性がある、光子計数スペクトルCTにおいて特に重要であると考えられる。 The inventors have realized that to be able to trust images resulting from machine learning image reconstruction, such as deep learning image reconstruction, it is highly desirable to quantify the degree of confidence in the reconstructed images (values) or otherwise determine an indication or representation of confidence. This may be particularly important in photon-counting spectral CT, where it is theoretically possible to generate quantitatively accurate maps of material composition, but where high noise levels, especially in three-basis decompositions, may necessitate the use of machine learning image reconstruction, such as deep learning reconstruction methods, as a key component of the image reconstruction chain.

本発明の基本的な考え方は、深層学習画像再構成のような機械学習画像再構成によって生成された各画像の不確実性マップや信頼性マップのような信頼度表示を放射線科医に提供することである。 The basic idea of the present invention is to provide radiologists with a confidence indication, such as an uncertainty map or a confidence map, for each image generated by machine learning image reconstruction, such as deep learning image reconstruction.

一組の訓練データ(a set of training data)、例えば、測定されたエネルギー分解X線データセットと、ニューラルネットワークなどの機械学習システムの訓練用に特別に選択されたグランドトゥルースまたは再構成された基底物質マップの対応するセット(a corresponding set of ground truth or reconstructed basis material maps)とが、1つまたは複数の再構成された基底物質画像の確率分布を特定または近似するために使用され得ることが理解される。評価される新しい測定値の前のこのような分布は、事前分布と呼ばれる。X線画像データの表現の1つまたは複数の測定がさらに実行される場合、この測定の追加的な知識による可能な基底物質画像の確率分布は、事後確率分布(posterior probability distribution)として知られる。 It will be appreciated that a set of training data, e.g., a measured energy-resolved X-ray data set and a corresponding set of ground truth or reconstructed basis material maps specifically selected for training a machine learning system such as a neural network, can be used to identify or approximate a probability distribution of one or more reconstructed basis material images. Such a distribution prior to the new measurements being evaluated is called a prior distribution. If one or more measurements of a representation of the X-ray image data are further performed, the probability distribution of the possible basis material images with additional knowledge of the measurements is known as a posterior probability distribution.

第1の態様によれば、コンピュータ断層撮影(CT)における機械学習画像再構成のための1つ以上の信頼度表示を決定するための方法が提供される。方法は。
エネルギー分解X線データを取得するステップと、
少なくとも1つの機械学習システムに基づいて前記エネルギー分解X線データを処理して、少なくとも1つの再構成基底画像またはその画像特徴の事後確率分布の表現を生成するするステップと、
前記事後確率分布の表現に基づいて、少なくとも1つの再構成基底画像、または前記少なくとも1つの再構成基底画像に由来する少なくとも1つの派生画像、または前記少なくとも1つの再構成基底画像または前記少なくとも1つの派生画像の画像特徴に対する1つまたは複数の信頼度表示を生成するステップとを含む。
According to a first aspect, there is provided a method for determining one or more confidence indications for machine learning image reconstruction in computed tomography (CT).
acquiring energy resolved x-ray data;
processing the energy-resolved X-ray data based on at least one machine learning system to generate at least one reconstructed basis image or a representation of a posterior probability distribution of image features;
and generating, based on the representation of the posterior probability distribution, at least one reconstructed base image, or at least one derived image derived from the at least one reconstructed base image, or one or more confidence indications for image features of the at least one reconstructed base image or the at least one derived image.

一例として、信頼度表示は1つ以上の不確実性マップ又は信頼性マップを含むことができる。このような不確実性マップ又は信頼性マップは、放射線科医に付加的な有用な情報を提供するために、様々な方法で関連する画像又は画像特徴と共に提示されることがある。 By way of example, the confidence indication may include one or more uncertainty or reliability maps. Such uncertainty or reliability maps may be presented together with associated images or image features in various ways to provide additional useful information to the radiologist.

第2の態様によれば、コンピュータ断層撮影(CT)における機械学習画像再構成のための1つ以上の信頼度表示を決定するためのシステムが提供される。本システムは、エネルギー分解X線データを取得するように構成される。本システムは更に、少なくとも1つの機械学習システムに基づいてエネルギー分解X線データを処理して、少なくとも1つの再構成基底画像又はその画像特徴の事後確率分布の表現を得るように構成される。本システムはまた、事後確率分布の表現に基づいて、前記少なくとも1つの再構成基底画像、又は前記少なくとも1つの再構成基底画像に由来する少なくとも1つの派生画像、又は前記少なくとも1つの再構成基底画像又は前記少なくとも1つの派生画像の画像特徴に対する1つ又は複数の信頼度表示を生成するように構成される。 According to a second aspect, a system for determining one or more confidence indications for machine learning image reconstruction in computed tomography (CT) is provided. The system is configured to acquire energy resolved X-ray data. The system is further configured to process the energy resolved X-ray data based on at least one machine learning system to obtain a representation of a posterior probability distribution of at least one reconstructed basis image or image features thereof. The system is also configured to generate one or more confidence indications for the at least one reconstructed basis image, or at least one derived image derived from the at least one reconstructed basis image, or image features of the at least one reconstructed basis image or the at least one derived image based on the representation of the posterior probability distribution.

第3の態様によれば、信頼度表示を決定するためのこのようなシステムを含む対応する画像再構成システムが提供される。 According to a third aspect, there is provided a corresponding image reconstruction system including such a system for determining a confidence indication.

第4の態様によれば、このような画像再構成システムを含む全体的なX線撮像システムが提供される。 According to a fourth aspect, there is provided an overall X-ray imaging system including such an image reconstruction system.

第5の態様によれば、対応するコンピュータプログラムおよびコンピュータプログラム製品が提供される。 According to a fifth aspect, a corresponding computer program and computer program product are provided.

このようにして、コンピュータ断層撮影(CT)のための機械学習画像再構成における信頼性および/または説明可能性の向上が得られる可能性がある。 In this way, improved reliability and/or explainability in machine learning image reconstruction for computed tomography (CT) may be obtained.

本実施形態は、そのさらなる目的および利点とともに、添付図面とともに以下の説明を参照することによって最もよく理解されよう。 The present embodiment, together with further objects and advantages thereof, will be best understood by reference to the following description taken together with the accompanying drawings.

X線撮像装置全体の一例を示す概略構成図である。1 is a schematic diagram showing an example of an entire X-ray imaging device. X線撮像システムの他の例を示す概略図である。FIG. 13 is a schematic diagram showing another example of an X-ray imaging system. X線撮像システムの例示としてのCTシステムの概略ブロック図である。1 is a schematic block diagram of a CT system as an example of an X-ray imaging system. 光線撮像システムの関連部品の他の例を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating another example of relevant components of an optical imaging system. 従来技術による光子計数回路及び/又は装置の概略図である。1 is a schematic diagram of a photon counting circuit and/or device according to the prior art; コンピュータ断層撮影(CT)における深層学習画像再構成などの機械学習画像再構成の信頼度表示を決定する方法の一例を示す概略フロー図である。1 is a schematic flow diagram illustrating an example of a method for determining a confidence indication of a machine learning image reconstruction, such as a deep learning image reconstruction in computed tomography (CT). 例示的な実施形態に従って実際の画像再構成を実行することを追加的に含む、機械学習画像再構成のための信頼度表示を決定する方法の一例を示す概略フロー図である。FIG. 1 is a schematic flow diagram illustrating an example of a method for determining a confidence indication for a machine learning image reconstruction, the method additionally including performing an actual image reconstruction in accordance with an exemplary embodiment. スペクトルCTにおける深層学習画像再構成等の機械学習画像再構成のための不確定性マップ生成方法の一例を示す概略フロー図である。FIG. 1 is a schematic flow diagram illustrating an example method for generating an uncertainty map for machine learning image reconstruction, such as deep learning image reconstruction in spectral CT. 実施形態による不確定性マップの一例を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an example of an uncertainty map according to an embodiment. 物質分解タスクまたは問題を解決するために使用できるベイズ型または確率的ニューラルネットワークの例を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a Bayesian or probabilistic neural network that can be used to solve a material decomposition task or problem. 深層学習に基づく物質分解から得られた物質濃度マップを取り込み、信頼性マップを生成するニューラルネットワーク推定器の一例を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a neural network estimator that takes a material concentration map obtained from a deep learning based material decomposition and generates a confidence map. アンロール型反復物質分解法に基づくサイノグラム空間物質分解のためのニューラルネットワークを示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a neural network for sinogram spatial material decomposition based on an unrolled iterative material decomposition method. エネルギービンサイノグラムを入力とし、再構成された基底物質画像を生成するニューラルネットワークの一例を示す概略図である、FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a neural network that takes an energy bin sinogram as input and generates a reconstructed basis material image. エネルギービンサイノグラムを入力とし、ランダムドロップアウトに基づいて再構成された基底物質画像を生成する確率的ニューラルネットワークの一例を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a probabilistic neural network that takes an energy bin sinogram as input and generates a reconstructed basis material image based on random dropout. エネルギービンサイノグラムを入力とし、加算ノイズ挿入に基づいて再構成された基底物質画像を生成する確率的ニューラルネットワークの一例を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a probabilistic neural network that takes energy bin sinograms as input and generates reconstructed basis material images based on additive noise insertion. エネルギービンサイノグラムを入力とし、変分オートエンコーダに基づいて再構成された基底物質画像を生成する確率的ニューラルネットワークの一例を示す概略図であり、エンコーダ、ランダム特徴生成部及びデコーダから構成される。FIG. 1 is a schematic diagram of an example of a probabilistic neural network that takes an energy bin sinogram as input and generates a reconstructed basis material image based on a variational autoencoder. The probabilistic neural network is composed of an encoder, a random feature generator, and a decoder. 実施形態によるコンピュータの実装例を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example implementation of a computer according to an embodiment.

より良く理解するために、全体的なX線画像処理システムの非限定的な実施例に関する入門的な説明を続けることが有用であろう。 For a better understanding, it may be useful to continue with an introductory description of a non-limiting example of an overall X-ray imaging system.

図2は、X線を照射するX線源10と、X線を検出するX線検出器を有するX線検出器システム20とから構成されるX線撮像システム100の一例を示す概略図である。図2は、X線を放出するX線源10と、対象物を透過した後のX線を検出するX線検出器を有するX線検出器システム20と、X線検出器からの生の電気信号を処理してデジタル化するアナログ処理回路25と、を備えるX線撮像システム100の一例を示す概略図である、補正の適用、一時的な記憶、又はフィルタリングなど、測定されたデータに対する更なる処理操作を実行することができるデジタル処理回路40と、処理されたデータを記憶し、更なる後処理及び/又は画像再構成を実行することができるコンピュータ50と、を備える。本発明によれば、アナログ処理回路25の全部または一部をX線検出器システム20に実装することができる。 2 is a schematic diagram showing an example of an X-ray imaging system 100 composed of an X-ray source 10 that emits X-rays and an X-ray detector system 20 having an X-ray detector that detects the X-rays. FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of an X-ray imaging system 100 comprising an X-ray source 10 that emits X-rays, an X-ray detector system 20 having an X-ray detector that detects the X-rays after passing through an object, an analog processing circuit 25 that processes and digitizes raw electrical signals from the X-ray detector, a digital processing circuit 40 that can perform further processing operations on the measured data, such as applying corrections, temporary storage, or filtering, and a computer 50 that can store the processed data and perform further post-processing and/or image reconstruction. According to the present invention, all or part of the analog processing circuit 25 can be implemented in the X-ray detector system 20.

全体的なX線検出器は、X線検出器システム20、または関連するアナログ処理回路25と組み合わされたX線検出器システム20とみなすことができる。 The overall X-ray detector can be considered as the X-ray detector system 20, or the X-ray detector system 20 combined with associated analog processing circuitry 25.

デジタル処理回路40及び/又はコンピュータ50を含むデジタル部分は、X線検出器からの画像データに基づいて画像再構成を実行する画像処理システム30とみなすことができる。画像処理システム30は、コンピュータ50として定義されてもよく、あるいは、画像処理システム35(デジタル画像処理)は、デジタル処理回路40とコンピュータ50との組み合わせシステムとして定義されてもよく、あるいは、デジタル処理回路が画像処理および/または再構成にもさらに特化されている場合には、デジタル処理回路40単体として定義されてもよい。 The digital part including the digital processing circuit 40 and/or the computer 50 can be considered as an image processing system 30 that performs image reconstruction based on image data from the X-ray detector. The image processing system 30 may be defined as the computer 50, or the image processing system 35 (digital image processing) may be defined as a combined system of the digital processing circuit 40 and the computer 50, or as the digital processing circuit 40 alone, if the digital processing circuit is further specialized for image processing and/or reconstruction.

一般的に使用されるX線画像システムの一例として、X線コンピュータ断層撮影(CT)システムがあり、これには、X線のファン・オス・コーン・ビームを生成するX線管と、患者または対象物を透過したX線の割合を測定するX線検出器の対向するアレイが含まれる。X線管と検出器アレイは、被写体の周りを回転するガントリに取り付けられている。 One example of a commonly used x-ray imaging system is the x-ray computed tomography (CT) system, which includes an x-ray tube that produces a fan-like cone beam of x-rays and an opposing array of x-ray detectors that measure the percentage of the x-rays that pass through the patient or object. The x-ray tube and detector array are mounted on a gantry that rotates around the object.

図3は、X線撮像システムの例示としてのCTシステムの概略ブロック図である。CTシステムは、ディスプレイ及び何らかの形式のオペレータインタフェース、例えばキーボード及びマウスを有することができるオペレータコンソール60を介してオペレータからコマンド及び走査パラメータを受信するコンピュータ50から構成される。オペレータから供給されたコマンド及びパラメータは、コンピュータ50によって、X線制御装置41、ガントリ制御装置42及びテーブル制御装置43に制御信号を供給するために使用される。具体的には、X線コントローラ41は、X線源10に電力及びタイミング信号を供給し、テーブル12上に横たわる対象物又は患者へのX線の放射を制御する。ガントリ制御装置42は、X線源10及びX線検出器20を構成するガントリ11の回転速度及び位置を制御する。テーブル制御装置43は、患者テーブル12の位置及び患者の走査範囲を制御及び決定する。検出器コントローラ44もあり、これは検出器20を制御及び/又は検出器20からデータを受信するように構成されている。 3 is a schematic block diagram of a CT system as an example of an X-ray imaging system. The CT system consists of a computer 50 that receives commands and scanning parameters from an operator via an operator console 60, which may have a display and some form of operator interface, such as a keyboard and mouse. The commands and parameters provided by the operator are used by the computer 50 to provide control signals to the X-ray controller 41, the gantry controller 42 and the table controller 43. In particular, the X-ray controller 41 provides power and timing signals to the X-ray source 10, which controls the emission of X-rays to an object or patient lying on the table 12. The gantry controller 42 controls the rotational speed and position of the gantry 11, which comprises the X-ray source 10 and the X-ray detector 20. The table controller 43 controls and determines the position of the patient table 12 and the scan range of the patient. There is also a detector controller 44, which is configured to control and/or receive data from the detector 20.

一実施形態では、コンピュータ50は、X線検出器から出力された画像データの後処理及び画像再構成も行う。これにより、コンピュータは、図1及び図2に示す画像処理システム30に相当する。関連するディスプレイにより、オペレータは再構成画像やコンピュータからのその他のデータを観察することができる。 In one embodiment, computer 50 also performs post-processing and image reconstruction of image data output from the x-ray detector. The computer thereby corresponds to image processing system 30 shown in Figures 1 and 2. An associated display allows an operator to observe the reconstructed image and other data from the computer.

ガントリ11に配置されたX線源10は、X線を放出する。例えば光子計数検出器の形態のX線検出器20が、患者を透過した後のX線を検出する。X線検出器20は、例えば、センサ又は検出器素子とも呼ばれる複数の画素と、検出器モジュールに配置されたASICなどの関連する処理回路とによって形成される。アナログ処理部分の一部は画素に実装され、残りの処理部分は例えばASICに実装される。一実施形態では、処理回路(ASIC)は画素からのアナログ信号をデジタル化する。処理回路(ASIC)はまた、補正の適用、一時的な記憶、及び/又はフィルタリングなど、測定データに対する更なる処理動作を実行することができるデジタル処理部を構成することができる。X線投影データを取得するためのスキャンの間、ガントリ及びその上に搭載された構成要素は、アイソセンタ(iso-center)を中心に回転する。 An X-ray source 10 arranged on a gantry 11 emits X-rays. An X-ray detector 20, for example in the form of a photon-counting detector, detects the X-rays after passing through the patient. The X-ray detector 20 is formed by a number of pixels, also called sensors or detector elements, for example, and associated processing circuits, such as ASICs arranged on a detector module. Part of the analog processing is implemented in the pixels, and the remaining processing is implemented in the ASICs for example. In one embodiment, the processing circuit (ASIC) digitizes the analog signals from the pixels. The processing circuit (ASIC) may also constitute a digital processing unit that may perform further processing operations on the measurement data, such as applying corrections, temporary storage, and/or filtering. During a scan to acquire X-ray projection data, the gantry and the components mounted thereon rotate about an iso-center.

現代のX線検出器は通常、入射したX線を電子に変換する必要がある。これは通常、光電効果またはコンプトン相互作用(Compton interaction)によって行われ、その結果生じた電子は通常、エネルギーが失われるまで二次的な可視光を作り出し、この光は感光材料によって検出される。また、半導体をベースとした検出器もあり、この場合、X線によって生成された電子は、印加された電界によって収集される電子-正孔対という電荷を生成する。 Modern X-ray detectors usually require the conversion of incident X-rays into electrons. This is usually done by the photoelectric effect or Compton interaction, and the resulting electrons usually produce secondary visible light until they lose energy, which can be detected by a light-sensitive material. There are also semiconductor-based detectors, where the electrons generated by the X-rays create a charge, an electron-hole pair, which is collected by an applied electric field.

エネルギー積分モードで動作する検出器は、多数のX線から積分された信号を提供するという意味で存在する。出力信号は、検出されたX線によって蓄積された総エネルギーに比例する。 A detector operating in energy integration mode exists in the sense that it provides a signal integrated from a large number of x-rays. The output signal is proportional to the total energy deposited by the detected x-rays.

医療用X線アプリケーションでは、光子計数(フォトンカウンティング)とエネルギー分解機能を備えたX線検出器が一般的になりつつある。光子計数方式のX線検出器は、基本的に各X線のエネルギーを測定できるため、被写体の組成に関する追加情報が得られるという利点があり、この情報は、画質の向上や放射線量の低減に利用することができる。 Photon-counting and energy-resolving X-ray detectors are becoming more common in medical X-ray applications. Photon-counting X-ray detectors essentially measure the energy of each X-ray, which has the advantage of providing additional information about the composition of the subject, which can be used to improve image quality and reduce radiation dose.

一般に、光子計数型X線検出器は、検出器材料中の光子の相互作用によって発生する電気パルスの高さを一連の比較器電圧(コンパレータ電圧)と比較することによって、光子のエネルギーを決定する。これらの比較器電圧はエネルギーしきい値とも呼ばれる。一般的に、比較器のアナログ電圧は、デジタルアナログ変換器(DAC)によって設定される。DACは、コントローラから送信されたデジタル設定を、光子パルスの高さを比較できるアナログ電圧に変換する。 Typically, photon counting x-ray detectors determine the energy of a photon by comparing the height of the electrical pulse generated by the interaction of the photon in the detector material to a series of comparator voltages. These comparator voltages are also called energy thresholds. Typically, the analog voltages of the comparators are set by a digital-to-analog converter (DAC), which converts the digital settings sent from the controller into analog voltages against which the height of the photon pulse can be compared.

光子計数検出器は、測定時間中に検出器内で相互作用した光子の数を数える。新しい光子は一般に、電気パルスの高さが少なくとも1つの比較器の比較器電圧を超えることで識別される。光子が識別されると、チャネルに関連するデジタルカウンタをインクリメントすることによってイベントが保存される。 Photon counting detectors count the number of photons that interact within the detector during a measurement time. A new photon is typically identified by an electrical pulse whose height exceeds the comparator voltage of at least one comparator. Once a photon is identified, the event is stored by incrementing a digital counter associated with the channel.

複数の異なる閾値を使用する場合、検出された光子を様々な閾値に対応するエネルギービンに並べ替えることができる、いわゆるエネルギー弁別型光子計数検出器が得られる。このタイプの光子計数検出器は、マルチビン検出器とも呼ばれることがある。一般に、エネルギー情報は、新しい情報が利用可能で、従来技術に固有の画像アーチファクトを除去することができる、新しい種類の画像を作成することを可能にする。言い換えれば、エネルギー弁別型光子計数検出器では、パルスの高さが比較器内のプログラム可能ないくつかの閾値(T1-TN)と比較され、パルスの高さに従って分類される。言い換えれば、2つ以上の比較器から構成される光子計数検出器は、マルチビン光子計数検出器と呼ばれる。マルチビン光子計数検出器の場合、光子計数は、典型的には、各エネルギー閾値に対して1つずつ、一組のカウンタに記憶される。例えば、カウンタは、光子パルスが超えた最も高いエネルギー閾値に対応するように割り当てることができる。別の例では、カウンタは光子パルスが各エネルギー閾値を横切った回数を記録する。 When using several different thresholds, so-called energy-discriminating photon counting detectors are obtained, which can sort the detected photons into energy bins corresponding to the various thresholds. This type of photon counting detector is sometimes also called a multi-bin detector. In general, the energy information allows to create new kinds of images, where new information is available and image artifacts inherent to the prior art can be eliminated. In other words, in an energy-discriminating photon counting detector, the pulse height is compared to several programmable thresholds (T1-TN) in a comparator and classified according to the pulse height. In other words, a photon counting detector consisting of two or more comparators is called a multi-bin photon counting detector. For a multi-bin photon counting detector, the photon counts are typically stored in a set of counters, one for each energy threshold. For example, a counter can be assigned to correspond to the highest energy threshold crossed by the photon pulse. In another example, a counter records the number of times the photon pulse crosses each energy threshold.

一例として、エッジオン(edge-on)とは、X線検出素子やピクセルなどのX線センサが入射X線に対してエッジオンになるような、光子計数検出器のための特別で非限定的な設計である。 As an example, edge-on is a special, non-limiting design for photon-counting detectors in which the x-ray sensors, such as x-ray detection elements or pixels, are edge-on to the incident x-rays.

例えば、このような光子計数検出器は、少なくとも2つの方向の画素を有することができ、エッジオン光子計数検出器の方向の1つは、X線の方向の成分を有する。このようなエッジオン光子計数検出器は、入射X線の方向に2つ以上の深さセグメントの画素を有する深さセグメント光子計数検出器と呼ばれることがある。 For example, such a photon counting detector may have pixels in at least two directions, one of the directions of the edge-on photon counting detector having a component in the direction of the x-rays. Such an edge-on photon counting detector may be referred to as a depth-segment photon counting detector, having pixels in two or more depth segments in the direction of the incident x-rays.

あるいは、画素は、入射X線の方向と実質的に直交する方向にアレイ(non-depth-segmented:非深度分割)として配置されてもよく、画素の各々は、入射X線に対してエッジオンに配向されてもよい。言い換えれば、光子計数検出器は、入射X線に対してエッジオンに配置されたまま、非深度分割であってもよい。 Alternatively, the pixels may be arranged as an array (non-depth-segmented) in a direction substantially perpendicular to the direction of the incident x-rays, and each of the pixels may be oriented edge-on with respect to the incident x-rays. In other words, the photon-counting detector may be non-depth-segmented while still being positioned edge-on with respect to the incident x-rays.

吸収効率を高めるために、エッジオン型光子計数検出器をエッジオンに配置することも可能であり、この場合、吸収深度を任意の長さに選択することができ、エッジオン型光子計数検出器は、非常に高い電圧にすることなく、依然として完全に空乏化させることができる、 To increase the absorption efficiency, it is also possible to place the edge-on photon counting detector on the edge, in which case the absorption depth can be chosen to be any length, and the edge-on photon counting detector can still be fully depleted without having to be at very high voltages,

直接半導体検出器を通してX線光子を検出する従来のメカニズムは、基本的に以下のように動作する。検出器材料中のX線相互作用のエネルギーは、半導体欠陥内部で電子-正孔対に変換され、電子-正孔対の数は一般に光子エネルギーに比例する。電子と正孔は検出器の電極と裏面に向かってドリフトする(またはその逆)。このドリフトの間、電子と正孔は電極に電流を誘起し、この電流を測定することができる。 The conventional mechanism for detecting X-ray photons directly through a semiconductor detector basically works as follows: the energy of the X-ray interaction in the detector material is converted into electron-hole pairs inside the semiconductor defects, the number of electron-hole pairs being generally proportional to the photon energy. The electrons and holes drift towards the electrodes and backside of the detector (or vice versa). During this drift, the electrons and holes induce a current in the electrodes, and this current can be measured.

図4に示されるように、1以上の信号は、X線検出器の検出器素子21からアナログ処理回路(例えば、ASIC)25の入力、27に送られる。特定用途向け集積回路(Application Specific Integrated Circuit:ASIC)という用語は、特定の用途のために使用され構成される一般的な回路として広く解釈されることが理解されるべきである。ASICは、各X線から発生した電荷を処理し、それをデジタルデータに変換し、光子数及び/又は推定エネルギーなどの測定データを得るために使用することができる。ASICは、デジタル処理回路に接続するように構成されているので、デジタルデータは、さらなるデジタル処理回路40及び/又は1つ以上のメモリ45に送られ、最終的に、データは、再構成画像を生成するための画像処理回路30の入力となる。 As shown in FIG. 4, one or more signals are sent from the detector elements 21 of the X-ray detector to the input, 27, of an analog processing circuit (e.g., an ASIC) 25. It should be understood that the term Application Specific Integrated Circuit (ASIC) is broadly interpreted as a general circuit used and configured for a specific application. The ASIC processes the charge generated from each X-ray and converts it to digital data that can be used to obtain measurement data such as photon count and/or estimated energy. The ASIC is configured to connect to the digital processing circuit so that the digital data is sent to further digital processing circuitry 40 and/or one or more memories 45, and finally the data is input to the image processing circuitry 30 for generating a reconstructed image.

1つのX線イベントから発生する電子と正孔の数はX線光子のエネルギーに比例するため、1つの誘導電流パルスに含まれる全電荷はこのエネルギーに比例する。ASICのフィルタリングステップの後、パルス振幅は電流パルスの総電荷に比例し、したがってX線エネルギーに比例する。パルスの振幅は、その値を1つまたは複数の比較器(COMP)の1つまたは複数の閾値(THR)と比較することによって測定することができ、パルスが閾値より大きい場合の数を記録するカウンタが導入される。このようにして、ある時間枠内に検出された、それぞれの閾値(THR)に対応するエネルギーを超えるエネルギーを有するX線光子の数を計数および/または記録することが可能である。 Since the number of electrons and holes arising from an X-ray event is proportional to the energy of the X-ray photon, the total charge contained in an induced current pulse is proportional to this energy. After the filtering step of the ASIC, the pulse amplitude is proportional to the total charge of the current pulse and therefore to the X-ray energy. The amplitude of the pulse can be measured by comparing its value with one or more thresholds (THR) of one or more comparators (COMP), and a counter is introduced that records the number of cases when the pulse is greater than the threshold. In this way, it is possible to count and/or record the number of X-ray photons detected within a certain time frame with energies exceeding the energy corresponding to the respective threshold (THR).

ASICは通常、クロック・サイクルに1回アナログ光子パルスをサンプリングし、比較器の出力を登録する。比較器(しきい値)は、アナログ信号が比較器電圧を上回ったか下回ったかに応じて、1または0を出力する。各サンプルで利用可能な情報は、例えば、比較器がトリガされた(光子パルスがしきい値より高かった)かどうかを表す各比較器の1または0である。 The ASIC typically samples the analog photon pulse once per clock cycle and registers the outputs of the comparators. The comparators (thresholds) output a 1 or 0 depending on whether the analog signal is above or below the comparator voltage. The information available at each sample is, for example, a 1 or 0 for each comparator representing whether the comparator was triggered (the photon pulse was above the threshold) or not.

光子計数検出器では、通常、光子計数ロジックがあり、新しい光子が登録されたかどうかを判定し、光子をカウンタに登録する。マルチビン光子計数検出器の場合、通常、複数のカウンタがあり、例えば各比較器に1つずつあり、光子カウントは光子エネルギーの推定値に従ってカウンタに登録される。ロジックはいくつかの異なる方法で実装することができる。光子計数ロジックの最も一般的な2つのカテゴリーは、いわゆるノンパラリザブル計数モード(non-paralyzable counting modes)とパラライザブル計数モード(paralyzable counting modes)である。その他の光子計数ロジックには、例えば、電圧パルス中の検出された局所的な極大値をカウントし、場合によってはそのパルスの高さも登録する局所極大値検出(local maxima detection)がある。 In a photon counting detector there is usually a photon counting logic that determines if a new photon has been registered and registers the photon in a counter. In the case of a multi-bin photon counting detector there are usually several counters, for example one for each comparator, and the photon count is registered in the counters according to an estimate of the photon energy. The logic can be implemented in several different ways. The two most common categories of photon counting logic are the so-called non-paralyzable counting modes and paralyzable counting modes. Other photon counting logic includes, for example, local maxima detection, which counts detected local maxima in a voltage pulse and possibly also registers the height of that pulse.

光子計数型検出器には、高い空間分解能、低い電子ノイズ、エネルギー分解能、物質分離能力(material separation capability、スペクトル撮像能力:spectral imaging ability)など、多くの利点があるが、これらに限定されるものではない。しかし、エネルギー積分型検出器(energy integrating detectors)には、高い計数率耐性という利点がある。計数率耐性(count-rate tolerance:カウントレート耐性)は、光子の全エネルギーが測定されるため、1つの光子を追加すれば、現在検出器に登録されている光子の量に関係なく、(合理的な範囲内で)常に出力信号が増加するという事実/認識に由来する。この決定的な利点は、エネルギー積分検出器が今日の医療用CTの標準となっている主な理由の一つである。 Photon counting detectors have many advantages, including but not limited to high spatial resolution, low electronic noise, energy resolution, material separation capability, and spectral imaging ability. However, energy integrating detectors have the advantage of high count-rate tolerance. Count-rate tolerance comes from the fact/realization that since the total energy of the photons is measured, adding one additional photon will always increase the output signal (within reasonable limits), regardless of the amount of photons currently registered by the detector. This crucial advantage is one of the main reasons why energy integrating detectors are the standard in medical CT today.

より良く理解するために、簡単なシステムの概要及び/又はいくつかの技術的問題の分析から始めることが有用であろう。この目的のために、先行技術による光子計数回路及び/又は装置の概略図を提供する図5を参照する。 For a better understanding, it may be useful to start with a brief system overview and/or analysis of some technical issues. To this end, reference is made to FIG. 5, which provides a schematic diagram of a photon counting circuit and/or device according to the prior art.

光子が半導体材料中で相互作用すると、電子-正孔対のクラウドが生成される。検出器材料に電界をかけると、電荷キャリアは検出器材料に取り付けられた電極に集められる。信号は検出器素子からアナログ処理回路(ASICなど)の入力に送られる。特定用途向け集積回路(ASIC)という用語は、特定の用途に使用され構成される一般的な回路として広く解釈されることを理解されたい。ASICは、各X線から生成された電荷を処理し、それをデジタルデータに変換し、光子数及び/又は推定エネルギーなどの測定データを得るために使用することができ、一例では、ASICは、検出器材料に光子によって堆積されたエネルギーの量に比例する最大高さを有する電圧パルスが生成されるように電荷を処理することができる。 When photons interact in the semiconductor material, a cloud of electron-hole pairs is generated. When an electric field is applied to the detector material, the charge carriers are collected at electrodes attached to the detector material. A signal is sent from the detector element to the input of an analog processing circuit (such as an ASIC). It should be understood that the term application specific integrated circuit (ASIC) is to be broadly interpreted as a general circuit that is used and configured for a specific application. The ASIC can be used to process the charge generated from each x-ray, convert it to digital data, and obtain measurement data such as photon count and/or estimated energy, in one example, the ASIC can process the charge such that a voltage pulse is generated having a maximum height proportional to the amount of energy deposited by the photon in the detector material.

ASICは一組の比較器302を含むことができ、各比較器302は電圧パルスの大きさを基準電圧と比較する。比較器出力は通常、比較された2つの電圧のどちらが大きいかによってゼロまたは1(0/1)になりる。ここでは、電圧パルスが基準電圧より高ければ比較器出力は1であり、基準電圧が電圧パルスより高ければ0であると仮定する。デジタル-アナログ変換器、DAC、301は、ユーザまたは制御プログラムによって供給され得るデジタル設定を、比較器302によって使用され得る基準電圧に変換するために使用され得る。電圧パルスの高さが特定の比較器の基準電圧を超えた場合、その比較器をトリガされたと呼ぶことにする。各比較器は一般にデジタルカウンタ303と関連しており、このカウンタは光子計数ロジックに従って比較器出力に基づいてインクリメントされる。 The ASIC may include a set of comparators 302, each of which compares the magnitude of the voltage pulse with a reference voltage. The comparator output is typically either zero or one (0/1) depending on which of the two voltages compared is greater. We assume here that the comparator output is one if the voltage pulse is higher than the reference voltage, and zero if the reference voltage is higher than the voltage pulse. A digital-to-analog converter, DAC, 301 may be used to convert a digital setting, which may be supplied by a user or a control program, into a reference voltage that may be used by the comparators 302. If the height of the voltage pulse exceeds the reference voltage for a particular comparator, we will refer to that comparator as triggered. Each comparator is typically associated with a digital counter 303, which is incremented based on the comparator output according to photon counting logic.

一般に、基底物質分解は、人体組織のような原子番号の低い元素から構成されるすべての物質が、エネルギー依存性を2つ(またはそれ以上)の基底関数の線形結合として近似的に表現できる線形減衰係数凡(E)を有するという事実を利用する。
In general, basis material decomposition takes advantage of the fact that all materials composed of elements with low atomic numbers, such as human tissue, have a linear attenuation coefficient (E) whose energy dependence can be approximately expressed as a linear combination of two (or more) basis functions.

ここで、fとfは基底関数、aとaは対応する基底係数である。より一般的には、fは基底関数、aは対応する基底係数である。イメージングに使用されるエネルギー範囲にk吸収端が存在するのに十分な原子番号の高い元素がイメージング体積中に1つ以上存在する場合、そのような元素ごとに1つの基底関数を追加する必要がある。医療用イメージングの分野では、このようなk吸収端元素は、典型的には、造影剤として使用される物質であるヨウ素またはガドリニウムである。 where f1 and f2 are basis functions and a1 and a2 are corresponding basis coefficients. More generally, f i are basis functions and a i are corresponding basis coefficients. If there are one or more elements in the imaging volume with a sufficiently high atomic number that their k-edges lie in the energy range used for imaging, then one basis function must be added for each such element. In the field of medical imaging, such k-edge elements are typically iodine or gadolinium, which are substances used as contrast agents.

前述のように、各基底係数aの線積分Aiは、線源から検出器要素への各投影光線の測定データから推測される。線積分Aは次のように表すことができる。
As mentioned above, the line integral A i of each basis coefficient a 1 is estimated from the measurement data of each projection ray l from the source to the detector element. The line integral A i can be expressed as:

ここで、Nは基底関数の数である。ある実施態様では、基底物質の分解は、まず、各エネルギービンにおけるカウントの予想登録数をAの関数として表現することによって達成される。通常、そのような関数は、次のような形をとることができる。
where N is the number of basis functions. In one embodiment, decomposition of the basis material is accomplished by first expressing the expected registration number of counts in each energy bin as a function of A i . Typically, such a function can take the form:

ここで、λはエネルギービンtの予想計数、Eはエネルギー、sは撮像対象物に入射するスペクトル形状、検出器の量子効率、エネルギービンiのエネルギーifのX線に対する感度に依存する応答関数である。「エネルギービン」という用語は、光子計数検出器に対して最も一般的に使用されているが、この式は、多層検出器やkVpスイッチング線源のような、他のエネルギー分解X線システムを説明することもできる。 where λi is the expected count in energy bin t, E is the energy, and s i is a response function that depends on the spectral shape incident on the imaged object, the quantum efficiency of the detector, and the sensitivity of energy bin i to x-rays of energy if. Although the term "energy bin" is most commonly used for photon counting detectors, this formula can also describe other energy resolving x-ray systems, such as multi-layer detectors and kVp switching sources.

次に、最尤法(maximum likelihood)を使用して、各ビンの計数がポアソン分布確率変数であるという仮定の下でAを推定することができる。これは、負の対数尤度関数を最小化することによって達成される。Roessl and Proksa,「K-edge imaging in X-ray computed tomography using multi-bin photon counting detectors」,Phys.Biol.52(2007),4679-4696を参照。
Maximum likelihood can then be used to estimate A i under the assumption that the counts in each bin are Poisson distributed random variables. This is accomplished by minimizing the negative log-likelihood function. See Roessl and Proksa, "K-edge imaging in X-ray computed tomography using multi-bin photon counting detectors," Phys. Biol. 52 (2007), 4679-4696.

ここで、mはエネルギービンiの測定計数、Mbはエネルギービンの数である。 where m i is the measurement count for energy bin i and M b is the number of energy bins.

線積分Aから、基底係数aを得るための断層再構成を行うことができる。このステップを別の断層再構成とみなしてもよいし、全体の基底分解の一部とみなしてもよい。 From the line integrals A, a tomographic reconstruction can be performed to obtain the basis coefficients ai . This step can be viewed as a separate tomographic reconstruction or as part of the overall basis decomposition.

前述したように、各投影線に対する推定された基底係数線積分優を画像行列に配置すると、その結果は、各基底iに対する物質固有の投影画像(基底画像とも呼ばれる)である。この基底画像は、(例えば投影X線撮像において)直接見ることもできるし、(例えばCTにおいて)物体内部の基底係数aのマップを形成するための再構成アルゴリズムへの入力として取り込むこともできる。いずれにせよ、基底分解の結果は、基底係数の線積分や基底係数そのものなど、1つ以上の基底画像表現とみなすことができる。 As mentioned above, the estimated basis coefficient line integrals for each projection line are placed in an image matrix, and the result is a material-specific projection image (also called a basis image) for each basis i. This basis image can be viewed directly (e.g., in projection X-ray imaging) or can be taken as input to a reconstruction algorithm to form a map of the basis coefficients a i inside the object (e.g., in CT). In either case, the result of the basis decomposition can be viewed as one or more basis image representations, such as the line integrals of the basis coefficients or the basis coefficients themselves.

X線撮像の分野では、画像データの表現は、例えばサイノグラム、投影画像又は再構成CT画像から構成される。このような画像データの表現は、異なるチャンネルにおけるデータが異なるエネルギー区間における測定されたX線データに関連する複数のチャンネル、いわゆるマルチチャンネル又はマルチビンエネルギー情報から構成される場合、エネルギー分解されることがある。 In the field of X-ray imaging, the representation of image data consists, for example, of sinograms, projection images or reconstructed CT images. Such a representation of image data may be energy resolved if it consists of multiple channels, so-called multi-channel or multi-bin energy information, where the data in different channels relate to the measured X-ray data in different energy intervals.

エネルギー分解X線画像データの表現を入力として受け取る物質分解のプロセスを通じて、基底画像表現セットを生成することができる。このようなセットは、多数の基底画像表現の集合であり、各基底画像表現は、全X線減弱に対する特定の基底関数の寄与に関連する。このような一組の基底画像表現は、一組の基底サイノグラム、一組の再構成された基底CT画像又は一組の投影画像であってもよい。この文脈における「画像」は、例えば二次元画像、三次元画像又は時間分解画像系列を意味し得ることが理解されよう。 Through a process of material decomposition that takes as input a representation of the energy-resolved x-ray image data, a set of basis image representations can be generated. Such a set is a collection of multiple basis image representations, each basis image representation being associated with the contribution of a particular basis function to the total x-ray attenuation. Such a set of basis image representations may be a set of basis sinograms, a set of reconstructed basis CT images, or a set of projection images. It will be understood that "image" in this context may mean, for example, a two-dimensional image, a three-dimensional image, or a time-resolved image sequence.

例えば、エネルギー分解X線画像データの表現は、エネルギービンサイノグラムのコレクション(collection of energy bin sinograms)から構成することができ、各エネルギーサイノグラムは、1つのエネルギービンにおいて測定された計数(カウント数)を含む。このエネルギービンサイノグラムのコレクションを物質分解アルゴリズムへの入力とすることにより、基底サイノグラムのセットを生成することができる。このような基底サイノグラムは、再構成アルゴリズムへの入力として取り込まれ、再構成基底画像を生成することができる。 For example, a representation of energy resolved x-ray image data can consist of a collection of energy bin sinograms, each containing the counts measured in one energy bin. This collection of energy bin sinograms can be input to a material decomposition algorithm to generate a set of basis sinograms. These basis sinograms can be taken as input to a reconstruction algorithm to generate a reconstructed basis image.

2基底分解では、2つの基底画像表現が生成される。これは、撮像された物体内の任意の物質の減衰が、2つの基底関数上の線形結合として表現できるという近似に基づいている。3基底分解では、撮像された物体内の任意の物質の減衰が3つの基底画像上の線形結合として表現できるという近似に基づいて、3つの基底画像表現が生成される。同様に、4基底分解、5基底分解、および同様の高次分解を定義することができる。また、撮像対象物内のすべての物質を、密度スケールファクター(density scale factor)までの類似したエネルギー依存性を有するX線減弱係数を有するものとして近似することにより、1基底分解(one-basis decomposition)を行うことも可能である。 In a two-basis decomposition, a two-basis image representation is generated. This is based on the approximation that the attenuation of any material in the imaged object can be expressed as a linear combination on two basis functions. In a three-basis decomposition, a three-basis image representation is generated, based on the approximation that the attenuation of any material in the imaged object can be expressed as a linear combination on three basis images. Similarly, four-basis decompositions, five-basis decompositions, and similar higher order decompositions can be defined. It is also possible to perform a one-basis decomposition by approximating all materials in the imaged object as having X-ray attenuation coefficients with similar energy dependence up to the density scale factor.

2基底分解は、例えば、水サイノグラムとヨウ素サイノグラムを含む基底サイノグラムの集合となり、それぞれ水とヨウ素の線形減衰係数によって与えられる基底関数に対応する。あるいは、基底関数は、水とカルシウム、カルシウムとヨウ素、ポリ塩化ビニルとポリエチレンの減衰を表してもよい。3基底分解は、例えば、水サイノグラム、カルシウムサイノグラム、ヨウ素サイノグラムを含む基底サイノグラムの集合をもたらす。あるいは、基底関数は水、ヨウ素、ガドリニウム、またはポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ヨウ素の減衰を表す。 A two-basis decomposition results in a set of basis sinograms including, for example, water sinograms and iodine sinograms, with basis functions corresponding to the linear attenuation coefficients of water and iodine, respectively. Alternatively, the basis functions may represent the attenuation of water and calcium, calcium and iodine, polyvinyl chloride and polyethylene. A three-basis decomposition results in a set of basis sinograms including, for example, water sinograms, calcium sinograms and iodine sinograms. Alternatively, the basis functions represent the attenuation of water, iodine and gadolinium, or polyvinyl chloride, polyethylene and iodine.

前述したように、人工知能(Al)や深層学習などの機械学習は、一般的な画像再構成に利用され始めており、ある程度の満足のいく結果を得ている。しかし、深層学習による画像再構成のような機械学習による画像再構成の現在の問題点は、その限定された経験性である。画像は一見ノイズが少ないように見えても、実際にはニューラルネットワーク推定器のバイアスによる誤差を含んでいる。 As mentioned above, artificial intelligence (AI) and machine learning such as deep learning are beginning to be used for general image reconstruction, and have achieved some satisfactory results. However, the current problem with image reconstruction using machine learning, such as deep learning, is its limited empirical nature. Even if an image appears to have little noise at first glance, it actually contains errors due to the bias of the neural network estimator.

一般的に、深層学習とは、人工ニューラルネットワークや類似のアーキテクチャに基づく、表現学習を用いた機械学習手法のことである。学習には教師あり、半教師あり、教師なし(supervised, semi-supervised or unsupervised)がある。ディープニューラルネットワーク、ディープビリーフネットワーク、リカレントニューラルネットワーク、畳み込みニューラルネットワーク(deep neural networks, deep belief networks, recurrent neural networks and convolutional neural networks)などの深層学習システムは、コンピュータビジョン、音声認識、自然言語処理、ソーシャルネットワークフィルタリング、機械翻訳、ボードゲームプログラムなど、さまざまな技術分野に応用されており、人間の専門家のパフォーマンスに匹敵する、場合によってはそれを上回る結果を生み出している。 Deep learning generally refers to a machine learning method using representation learning based on artificial neural networks and similar architectures. Learning can be supervised, semi-supervised or unsupervised. Deep learning systems such as deep neural networks, deep belief networks, recurrent neural networks and convolutional neural networks have been applied to a variety of technology areas, including computer vision, speech recognition, natural language processing, social network filtering, machine translation and board game programs, producing results that match and in some cases exceed the performance of human experts.

深層学習(ディープラーニング)の「ディープ」という形容詞は、ネットワークに多層を用いることに由来する。初期の研究では、線形パーセプトロン(linear perceptron)は普遍的な分類器(universal classifier:ユニバーサルクラシファイア)にはなり得ないが、非多項式の活性化関数を持ち、非束縛の幅を持つ1つの隠れ層を持つネットワークは普遍的な分類器になり得ることが示された。深層学習は、理論的に無制限な数の層があり、その大きさが有限であるため、実用的な応用と最適化された実装が可能であり、一方で穏やかな条件下では理論的な普遍性を保つことができる、最新のバリエーションである。深層学習では、効率性、訓練しやすさ、理解しやすさのために、層は異種であり、生物学的情報に基づくコネクショニスト・モデル(biologically informed connectionist models)から大きく逸脱することも許される。 The adjective "deep" in deep learning comes from the use of multiple layers in the network. Early work showed that while a linear perceptron cannot be a universal classifier, a network with a single hidden layer with a non-polynomial activation function and unbounded width can. Deep learning is the latest variation, with a theoretically unlimited number of layers and finite size, allowing practical applications and optimized implementations while still preserving theoretical universality under mild conditions. In deep learning, layers are heterogeneous and allowed to deviate significantly from biologically informed connectionist models for efficiency, ease of training, and ease of understanding.

本発明者らは、深層学習画像再構成のような機械学習画像再構成、特にコンピュータ断層撮影(CT)において、信頼性および/または説明可能性を改善する必要性があることに気付いた。 The inventors have recognized a need for improving reliability and/or explainability in machine learning image reconstruction, such as deep learning image reconstruction, particularly in computed tomography (CT).

提案する技術は、一般に、ニューラルネットワークや深層学習などの機械学習に基づいて再構成画像および/または画像特徴の信頼性の指標を提供するために適用可能である。 The proposed technique is generally applicable to provide an indication of the reliability of reconstructed images and/or image features based on machine learning such as neural networks and deep learning.

前述のように、本発明者らは、深層学習画像再構成のような機械学習画像再構成から得られる画像(上述したようなもの)を信頼できるようにするためには、再構成画像(値)に対する信頼の程度を定量化するか、さもなければ信頼の表示又は表現を決定することが非常に望ましいことに気付いた。これは、理論的には物質組成の定量的に正確なマップを生成することが可能であるが、特に3基底分解ではノイズレベルが高いため、深層学習画像再構成のような機械学習を画像再構成チェーン(image reconstruction chain)の重要な構成要素として使用しなければならない、または使用すべきであることを意味する、光子計数スペクトルCTにおいて特に重要であると考えられる。 As mentioned above, the inventors have realized that in order to be able to trust images (as described above) resulting from machine learning image reconstruction, such as deep learning image reconstruction, it is highly desirable to quantify the degree of confidence in the reconstructed image (values) or otherwise determine an indication or expression of confidence. This may be particularly important in photon counting spectral CT, where while it is theoretically possible to generate quantitatively accurate maps of material composition, the high noise levels, especially in the 3-basis decomposition, mean that machine learning, such as deep learning image reconstruction, must or should be used as a key component of the image reconstruction chain.

ある意味で、本発明の基本的な考え方は、深層学習画像再構成などの機械学習画像再構成によって生成される各画像または画像特徴について、不確実性マップなどの信頼性表示を放射線科医に提供することである。 In a sense, the basic idea of the present invention is to provide radiologists with a reliability indication, such as an uncertainty map, for each image or image feature generated by a machine learning image reconstruction, such as a deep learning image reconstruction.

第1の主要な態様によれば、コンピュータ断層撮影(CT)における深層学習画像再構成などの機械学習画像再構成のための信頼度表示を決定するための方法の非限定的な例が提供される。 According to a first main aspect, a non-limiting example of a method for determining a confidence indication for machine learning image reconstruction, such as deep learning image reconstruction in computed tomography (CT), is provided.

図6Aは、コンピュータ断層撮影(CT)における深層学習画像再構成などの機械学習画像再構成の信頼度表示を決定する方法の一例を示す概略フロー図である。 FIG. 6A is a schematic flow diagram illustrating an example method for determining a confidence indication for a machine learning image reconstruction, such as a deep learning image reconstruction in computed tomography (CT).

基本的に、この方法は以下のステップを含む。
エネルギー分解X線データを取得する(S1)。
ニューラルネットワークなどの少なくとも1つの機械学習システムに基づいて前記エネルギー分解X線データを処理し、少なくとも1つの再構成基底画像またはその画像特徴の事後確率分布の表現を生成する(S2)。
事後確率分布の前記表現に基づいて、前記少なくとも1つの再構成画像、または前記少なくとも1つの再構成基底画像に由来する少なくとも1つの派生画像、または前記少なくとも1つの再構成基底画像または前記少なくとも1つの派生画像の画像特徴に対する1つまたは複数の信頼度表示を生成する(S3)。
Essentially, the method includes the following steps:
Energy resolved X-ray data is acquired (S1).
The energy-resolved x-ray data is processed based on at least one machine learning system, such as a neural network, to generate at least one reconstructed basis image or a representation of the posterior probability distribution of image features (S2).
Based on the representation of the posterior probability distribution, one or more confidence indications are generated for the at least one reconstructed image, or at least one derived image derived from the at least one reconstructed base image, or image features of the at least one reconstructed base image or the at least one derived image (S3).

換言すれば、これは、少なくとも1つのニューラルネットワーク又は同様の機械学習システムに基づいてエネルギー分解X線データを処理して、少なくとも1つの基底画像又はその画像特徴の少なくとも1つの事後確率分布の表現を得ることとして表すことができる。次いで、この表現を処理して、1つ以上の画像又は画像特徴の信頼度表示を形成することができる。 In other words, this can be expressed as processing the energy-resolved x-ray data based on at least one neural network or similar machine learning system to obtain a representation of at least one posterior probability distribution of at least one basis image or its image features. This representation can then be processed to form a confidence indication of one or more images or image features.

一組の訓練データ、例えば、測定されたエネルギー分解X線データセットと、ニューラルネットワークなどの機械学習システムの訓練用に特別に選択されたグランドトゥルース(corresponding set of ground truth)または再構成された基底物質マップの対応するセットとが、1つまたは複数の再構成された基底物質画像の確率分布を特定または近似するために使用され得ることが理解される。評価される新しい測定値の前のこのような分布は、事前分布と呼ばれる。X線画像データの表現の1つまたは複数の測定がさらに実行される場合、この測定の追加的な知識による可能な基底物質画像の確率分布は、事後確率分布(posterior probability distribution)として知られる。 It will be appreciated that a set of training data, e.g. a measured energy resolved X-ray data set and a corresponding set of ground truth or reconstructed basis material maps specifically selected for training a machine learning system such as a neural network, can be used to identify or approximate a probability distribution of one or more reconstructed basis material images. Such a distribution prior to the new measurements being evaluated is called a prior distribution. If one or more measurements of a representation of the X-ray image data are further performed, the probability distribution of the possible basis material images with additional knowledge of the measurements is known as a posterior probability distribution.

換言すれば、CT画像がどのように見えそうであるかについての事前情報は、典型的には、訓練入力画像データ及び出力画像データの組を含む訓練データセットによって特定される。このような入力画像データ及び出力画像データは、サイノグラム又はビン画像若しくはサイノグラム又は基底画像若しくはサイノグラムのような異なる内容を有する画像の形態をとることができる。各対における入力データを、入出力トレーニング対における対応する出力画像データと可能な限り類似する出力画像データにマッピングするためのマッピングをトレーニングすることにより、測定画像データからノイズ除去、基底画像への分解、または画像再構成を行うことができるマッピングが得られる。各対におけるトレーニング出力画像データは、ラベルとも呼ばれる。好ましい実施形態では、このようなマッピングは畳み込みニューラルネットワーク(CNN)の形態をとることができるが、サポートベクターマシンや決定木(support vector machines or decision trees)のような他の実施形態もあり、このマッピングを実現/構成することができる。ネットワーク出力と訓練出力画像データとの間の最良の一致を与えるマッピングを見つけるために、損失関数とも呼ばれるデータ不一致関数が、通常、ネットワーク出力と訓練出力画像データとの間のデータ不一致を計算するために使用される。本発明の好ましい実施形態では、前記マッピングは確率的であってもよく、これは同じ入力データに複数回適用されたときに異なる出力を与えることを意味する。この実施形態では、損失関数は、例えば、ネットワークによって生成された出力画像データの分布と訓練出力画像データの分布との間のカルバックライブラ距離またはワッサーシュタイン距離(Kullback-Leibler distance or Wasserstein distance)の形をとることができる。 In other words, prior information about what a CT image is likely to look like is typically specified by a training dataset that includes a set of training input image data and output image data. Such input image data and output image data can take the form of images with different contents, such as sinograms or bin images or sinograms or basis images or sinograms. By training a mapping to map the input data in each pair to output image data that is as similar as possible to the corresponding output image data in the input/output training pair, a mapping is obtained that can perform noise removal, decomposition into basis images, or image reconstruction from the measured image data. The training output image data in each pair is also called a label. In a preferred embodiment, such a mapping can take the form of a convolutional neural network (CNN), but there are other embodiments, such as support vector machines or decision trees, that can realize/configure this mapping. In order to find a mapping that gives the best match between the network output and the training output image data, a data discrepancy function, also called a loss function, is usually used to calculate the data discrepancy between the network output and the training output image data. In a preferred embodiment of the present invention, said mapping can be probabilistic, meaning that it gives different outputs when applied multiple times to the same input data. In this embodiment, the loss function can take the form of, for example, the Kullback-Leibler distance or Wasserstein distance between the distribution of output image data generated by the network and the distribution of training output image data.

一例として、畳み込みニューラルネットワークのトレーニングは、例えばADAMのような最適化手法を用いてこのデータ不一致を最小化することによって行われる。マッピングがトレーニングされると、測定された画像データをマッピングして出力画像データを生成することにより、実行時に適用することができる。例えば、確率的マッピングを入力画像データに複数回適用して、出力画像データの集合体(アンサンブル)を生成することができる。出力画像データの平均と標準偏差は、この集合体にわたって計算することができ、平均出力画像は、ノイズ除去画像、分解画像または再構成画像の推定値として使用することができ、標準偏差は、前記ノイズ除去画像、分解画像または再構成画像の不確実性の推定値として使用することができる。 As an example, a convolutional neural network is trained by minimizing this data mismatch using an optimization technique such as ADAM. Once the mapping is trained, it can be applied at run time by mapping measured image data to generate output image data. For example, the probabilistic mapping can be applied to the input image data multiple times to generate an ensemble of output image data. The mean and standard deviation of the output image data can be calculated over this ensemble, and the mean output image can be used as an estimate of the denoised, decomposed or reconstructed image, and the standard deviation can be used as an estimate of the uncertainty of the denoised, decomposed or reconstructed image.

本発明の別の実施形態では、2つの別々のニューラルネットワークが使用され、1つのネットワークは、出力画像データ、例えば再構成基底画像の推定値を生成するように訓練され、第2のネットワークは、出力画像データの不確実性の推定値、例えば再構成基底画像の不確実性のマップを生成するように訓練される。例えば、このようなネットワークを訓練する1つの方法は、最初に、上述のように出力画像データの事後分布からサンプルを生成する単一の確率的ニューラルネットワークを訓練し、次に、前記事後分布の平均および標準偏差を予測するために2つのニューラルネットワークを訓練することである。 In another embodiment of the invention, two separate neural networks are used, one network trained to generate an estimate of the output image data, e.g., the reconstructed basis image, and a second network trained to generate an estimate of the uncertainty of the output image data, e.g., a map of the uncertainty of the reconstructed basis image. For example, one way to train such networks is to first train a single probabilistic neural network to generate samples from the posterior distribution of the output image data as described above, and then train two neural networks to predict the mean and standard deviation of the posterior distribution.

本発明のさらに別の実施形態では、出力画像データの平均と標準偏差を予測するネットワークを直接学習することができる。これは、平均および標準偏差によってパラメータ化された出力確率分布を仮定し、ネットワークによって予測されたパラメータを有する出力確率分布と、訓練データセットに基づく出力画像データの事後分布の近似との間のラルバック・ライビエ差(Lullback-Leibler diference)またはワッサーシュタイン差(or the Wasserstein diference)などのデータ不一致尺度を最小化する(minimizing a data discrepancy measure)ことによって達成される。 In yet another embodiment of the invention, a network can be directly trained to predict the mean and standard deviation of the output image data. This is achieved by assuming an output probability distribution parameterized by the mean and standard deviation, and minimizing a data discrepancy measure, such as the Lullback-Leibler diference or the Wasserstein diference, between the output probability distribution with parameters predicted by the network and an approximation of the posterior distribution of the output image data based on the training dataset.

本発明のさらに別の実施形態では、上記の方法の1つに従って実装されたニューラルネットワーク推定器を訓練して、非ニューライネットワークベースのCTデータ処理方法、例えば再構成、分解またはノイズ除去方法の不確実性を予測することができる。この目的のために、前記CTデータ処理方法の不確実性は、前記方法をノイズの多いデータ、例えばシミュレートされたデータ又は測定されたデータに繰り返し適用することによって予測することができ、ニューラルネットワークはそのようなノイズの多いデータを予測するように訓練することができる。 In yet another embodiment of the invention, a neural network estimator implemented according to one of the above methods can be trained to predict the uncertainty of a non-neural network based CT data processing method, e.g. a reconstruction, decomposition or denoising method. To this end, the uncertainty of said CT data processing method can be predicted by repeatedly applying said method to noisy data, e.g. simulated or measured data, and a neural network can be trained to predict such noisy data.

本発明の例示的な実施形態では、前記エネルギー分解X線データは、光子計数型X線検出器を用いて取得されるか、または前記エネルギー分解X線データを記憶する中間メモリから取得される。 In an exemplary embodiment of the present invention, the energy resolved X-ray data is acquired using a photon counting X-ray detector or from an intermediate memory that stores the energy resolved X-ray data.

エネルギー分解X線データが使用されるという事実は、マルチチャンネルエネルギー情報が採用されることを意味する。さらに、基底物質画像または物質固有画像または物質選択画像とも呼ばれる1つまたは複数の基底画像が考慮されるということは、複数の物質(すなわち少なくとも2つの基底物質)が全体的な分析に関与していることを意味する。これは、より高次元のコンテキストにつながる。 The fact that energy-resolved X-ray data are used means that multi-channel energy information is employed. Furthermore, the consideration of one or more basis images, also called basis material images or material-specific images or material-selected images, means that multiple materials (i.e. at least two basis materials) are involved in the overall analysis. This leads to a higher dimensional context.

信頼度表示(confidence indication)は、深層学習画像再構成などの機械学習画像再構成によって最終的に再構成画像(単数又は複数)又は画像特徴(単数又は複数)の信頼度の任意の適切な表示であってもよく、例えば、再構成画像(単数又は複数)及び/又は画像特徴(単数又は複数)の信頼度及び/又は信憑度(confidence and/or trust)の関連する定量化であってもよい。信頼度表示はまた、後に詳細に例示するように、不確実性マップ(uncertainty map)のような信頼度の複雑な表現であってもよい。 The confidence indication may be any suitable indication of the confidence of the image(s) or image feature(s) ultimately reconstructed by the machine learning image reconstruction, such as deep learning image reconstruction, and may, for example, be a related quantification of the confidence and/or trust of the reconstructed image(s) and/or image feature(s). The confidence indication may also be a complex representation of the confidence, such as an uncertainty map, as exemplified in more detail below.

信頼度表示の一例は、例えば推定ヨウ素濃度の標準偏差など、基底画像推定値の不確実性を示すマップである。これにより、再構成されたヨウ素基底画像においてヨウ素濃度の不確実性が高い領域を強調する画像が得られる。 One example of a confidence indication is a map showing the uncertainty of the basis image estimate, e.g., the standard deviation of the estimated iodine concentration. This results in an image that highlights areas of high iodine concentration uncertainty in the reconstructed iodine basis image.

信頼度表示のもう一つの例は、ある物質が様々な場所に存在するという信頼度を示す信頼性マップである。例として、このようなマップは、画像中に確実にヨウ素が存在する領域を強調表示する一方、ヨウ素が含まれていないと高い確度で言える領域は暗いままにしておくことができる。このような信頼性マップは、例えば、推定ヨウ素濃度をヨウ素濃度の推定標準偏差で割ることによって算出することができる。別の例では、このようなマップは、マップが特定の位置でヨウ素を含む事後確率を計算することによって計算することができる。信頼度表示のさらに別の例は、画像内の各点における1つ以上の基底物質の濃度に対する信頼区間(confidence interval:信頼性間隔)である。 Another example of a confidence indication is a confidence map that indicates the confidence that a substance is present at various locations. As an example, such a map may highlight areas in the image where iodine is definitely present, while leaving dark areas where there is a high degree of confidence that iodine is not present. Such a confidence map may be calculated, for example, by dividing the estimated iodine concentration by the estimated standard deviation of the iodine concentration. In another example, such a map may be calculated by calculating the posterior probability that the map contains iodine at a particular location. Yet another example of a confidence indication is a confidence interval for the concentration of one or more basis substances at each point in the image.

例として、機械学習画像再構成は深層学習画像再構成であり、前記少なくとも1つの機械学習システムは少なくとも1つのニューラルネットワークを含む。 For example, the machine learning image reconstruction is deep learning image reconstruction, and the at least one machine learning system includes at least one neural network.

特定の例では、事後確率分布の表現は、平均分散、共分散、標準偏差、歪度、および尖度(a mean variance, a covariance, a standard deviation, a skewness, and a kurtosis)のうちの少なくとも1つを含む。 In certain examples, the representation of the posterior probability distribution includes at least one of a mean variance, a covariance, a standard deviation, a skewness, and a kurtosis.

任意選択で、1つ以上の信頼度表示は、前記少なくとも1つの再構成基底画像における少なくとも1つの点についての誤差推定値又は統計的不確実性の尺度、及び/又は前記少なくとも1つの再構成基底画像から導出可能な少なくとも1つの画像測定値についての誤差推定値又は統計的不確実性の尺度を含むことができる。 Optionally, the one or more confidence indications may include an error estimate or a measure of statistical uncertainty for at least one point in the at least one reconstructed basis image, and/or an error estimate or a measure of statistical uncertainty for at least one image measurement derivable from the at least one reconstructed basis image.

例えば、誤差推定値または統計的不確実性の尺度は、誤差の上限、誤差の下限、標準偏差、分散、または平均絶対誤差(an upper bound for an error, a lower bound for an error, a standard deviation, a variance or a mean absolute error)のうちの少なくとも1つを含むことができる。 For example, the error estimate or statistical uncertainty measure can include at least one of an upper bound for an error, a lower bound for an error, a standard deviation, a variance or a mean absolute error.

一例として、前記少なくとも1つの画像測定は、特徴の寸法測定、面積、体積、不均一性の程度、形状または不規則性の測定、組成の測定、および物質の濃度の測定(a dimensional measure of a feature, an area, a volume, a degree of inhomogeneity, a measure of shape or irregularity, a measure of composition, and a measure of concentration of a sub-stance)のうちの少なくとも1つを含むことができる。 As an example, the at least one image measurement can include at least one of a dimensional measure of a feature, an area, a volume, a degree of inhomogeneity, a measure of shape or irregularity, a measure of composition, and a measure of concentration of a substance.

後に例示するように、1つ又は複数の信頼度表示は、前記少なくとも1つの再構成基底画像、又は前記少なくとも1つの再構成基底画像に由来する少なくとも1つの派生画像、又はその画像特徴についての1つ又は複数の不確実性マップを含むことができる。 As illustrated below, the one or more confidence indications may include one or more uncertainty maps for the at least one reconstructed basis image, or at least one derived image derived from the at least one reconstructed basis image, or image features thereof.

特定の実施例では、1つまたは複数の信頼度表示を生成するステップS3は、コンピュータ断層撮影法CT(Computed Tomography)用の再構成された物質選択X線画像の信頼性マップを生成することを含む。 In a particular embodiment, the step S3 of generating one or more confidence indications includes generating a confidence map of the reconstructed material-selected X-ray image for computed tomography (CT).

一例として、信頼性マップは、機械学習画像再構成が所定の閾値以上の信頼度で、すなわち高い信頼度で判定できた、再構成された物質選択X線画像の部分を強調するように生成することができる。 As an example, a confidence map can be generated to highlight portions of the reconstructed material-selected X-ray image that the machine learning image reconstruction was able to determine with a confidence level above a predefined threshold, i.e., with high confidence.

例えば、1つ以上の信頼度表示を生成するステップS3は、深層学習に基づく物質分解から得られた物質濃度マップを入力とするニューラルネットワークによって、1つ以上の信頼性マップを生成することを含み得る。 For example, step S3 of generating one or more confidence indications may include generating one or more confidence maps using a neural network that receives as input a material concentration map obtained from the deep learning-based material decomposition.

図6Bに概略的に示される特定の実施例では、本方法は、取得されたエネルギー分解X線データに基づいて前記少なくとも1つの再構成基底画像またはその画像特徴を生成するために、S2a物質分解ベースの画像再構成および/または機械学習画像再構成を実行することをさらに含む。 In a particular embodiment, as shown diagrammatically in FIG. 6B, the method further includes performing S2a material decomposition based image reconstruction and/or machine learning image reconstruction to generate the at least one reconstructed basis image or image features thereof based on the acquired energy resolved x-ray data.

一例として、物質分解に基づく画像再構成及び/又は機械学習による画像再構成を実行するステップS2aは、エネルギービンサイノグラムを入力とするニューラルネットワークによって、前記少なくとも1つの再構成基底画像又は画像特徴を生成することを含み得る。 As an example, step S2a of performing material decomposition-based image reconstruction and/or machine learning image reconstruction may include generating the at least one reconstructed basis image or image feature by a neural network that receives as input an energy bin sinogram.

任意選択の実施形態では、1つ以上の信頼指標を生成するステップS3は、個々の基底物質画像の不確実性または信頼性マップ、および異なる基底物質画像間の共分散を決定することを含んでもよい。 これにより、不確実性の伝播のための公式またはアルゴリズムを使用して、不確実性または信頼性マップを伝播して、派生画像の不確実性マップ(uncertainty map:不確かさのマップ)を生成することができる。 In an optional embodiment, the step S3 of generating one or more confidence indices may include determining an uncertainty or confidence map for each basis material image and a covariance between different basis material images. A formula or algorithm for uncertainty propagation may then be used to propagate the uncertainty or confidence map to generate an uncertainty map for the derived image.

特定の実施例では、前記少なくとも1つの基底物質画像は、少なくとも1つの不確実性マップと共に生成されてもよく、不確実性マップは、前記少なくとも1つの基底物質画像の不確かさ又は誤差推定値の表現であり、前記少なくとも1つの基底物質画像及び前記少なくとも1つの不確実性マップは、別個の画像/マップとして又は組み合わせてユーザに提示可能である。 In certain embodiments, the at least one basis material image may be generated along with at least one uncertainty map, the uncertainty map being a representation of the uncertainty or error estimate of the at least one basis material image, and the at least one basis material image and the at least one uncertainty map may be presented to a user as separate images/maps or in combination.

例えば、前記少なくとも1つの不確定性マップは、前記少なくとも1つの基底物質画像に対するオーバーレイとして提示可能であってもよいし、前記少なくとも1つの不確定性マップは、前記少なくとも1つの基底物質画像に対する歪曲フィルタ(distorting filter)によって提示可能であってもよい、 For example, the at least one uncertainty map may be presented as an overlay on the at least one base material image, or the at least one uncertainty map may be presented by a distorting filter on the at least one base material image,

一例として、少なくとも1つの機械学習システムに基づいてエネルギー分解X線データを処理して事後確率分布の表現を生成するステップS2(図6A)またはS2b(図6B)は、ニューラルネットワークによって、取得されたエネルギー分解X線データが与えられた事後確率分布(posterior probability distribution)のサンプルを生成することからなり、1つまたは複数の信頼度表示を生成するステップS3は、複数のサンプルにわたる標準偏差として不確実性マップを生成することを含む。 As an example, step S2 (FIG. 6A) or S2b (FIG. 6B) of processing the energy resolved X-ray data based on at least one machine learning system to generate a representation of a posterior probability distribution comprises generating samples of the posterior probability distribution given the acquired energy resolved X-ray data by a neural network, and step S3 of generating one or more confidence indications comprises generating an uncertainty map as a standard deviation over the samples.

任意の実施形態において、事後確率分布の表現を生成するために少なくとも1つの機械学習システムに基づいてエネルギー分解X線データを処理するステップS2またはS2bは、変分オートエンコーダとして実装されたニューラルネットワークを適用して、入力データベクトルを潜在ランダム変数の確率分布のパラメータにエンコードすることと、事後観測値を得るために対応するデコーダによる(その後の)処理のために、この確率分布から潜在ランダム変数の事後サンプルのコレクション(collection of posterior samples of the latent random variable)を抽出することとを含む。 In any embodiment, step S2 or S2b of processing the energy-resolved X-ray data based on at least one machine learning system to generate a representation of a posterior probability distribution comprises applying a neural network implemented as a variational autoencoder to encode the input data vectors into parameters of a probability distribution of the latent random variables and extracting from this probability distribution a collection of posterior samples of the latent random variables for (subsequent) processing by a corresponding decoder to obtain posterior observations.

特定の実施例では、1つ以上の信頼度表示を生成するステップS3は、少なくとも1つの基底係数の分散または標準偏差(covariance or correlation coefficient)の少なくとも1つのマップ、および/または前記少なくとも1つの再構成基底画像に関連する少なくとも1つの基底関数の組の共分散または相関係数の少なくとも1つのマップを生成することを含む。 In certain embodiments, the step S3 of generating one or more confidence indications comprises generating at least one map of the covariance or correlation coefficient of at least one basis coefficient and/or at least one map of the covariance or correlation coefficient of at least one set of basis functions associated with the at least one reconstructed basis image.

本発明の例示的な実施形態では、事後確率分布の前記表現は、複数の画像特徴の平均及び分散によって規定される。 In an exemplary embodiment of the present invention, the representation of the posterior probability distribution is defined by the mean and variance of multiple image features.

本発明の例示的な実施形態において、事後確率分布の前記表現は、前記分布からの多数のモンテカルロサンプル(Monte Carlo samples:モンテカルロ標本)によって与えられることができる。 In an exemplary embodiment of the invention, the representation of the posterior probability distribution can be given by a number of Monte Carlo samples from the distribution.

本発明の例示的な実施形態では、前記ニューラルネットワークは、少なくとも5つの層を有する畳み込みニューラルネットワーク(CNN)である。 In an exemplary embodiment of the present invention, the neural network is a convolutional neural network (CNN) having at least five layers.

本発明の例示的な実施形態において、前記ニューラルネットワークに基づく処理は、確率的ニューラルネットワークによる処理を含み得る。 In an exemplary embodiment of the present invention, the neural network-based processing may include processing using a probabilistic neural network.

本発明の例示的な実施形態では、ニューラルネットワークは、ランダムドロップアウト、ノイズ挿入、変分オートエンコーダ、またはノイズ確率的勾配降下(random dropout, noise insertion, a variational autoencoder or noisy stochastic gradient de-scent)に基づいて動作するように構成される。 In an exemplary embodiment of the present invention, the neural network is configured to operate based on random dropout, noise insertion, a variational autoencoder or noisy stochastic gradient de-scent.

本発明の例示的な実施形態において、前記ニューラルネットワークに基づく前記処理は、事後確率分布の尺度を提供(provides a measure of the posterior probability distribution)する決定論的ニューライネットワークによる処理を含み得る。 In an exemplary embodiment of the present invention, the neural network-based processing may include processing with a deterministic neural network that provides a measure of the posterior probability distribution.

本発明の例示的な実施形態では、前記ニューラルネットワークに基づく前記処理は、再構成画像または画像特徴の不確実性の尺度を提供(provides a measure of uncertainty of a reconstructed image or image feature)する決定論的なニューライネットワークによる処理を含むことができる。 In an exemplary embodiment of the present invention, the neural network based processing may include processing with a deterministic neural network that provides a measure of uncertainty of a reconstructed image or image feature.

本発明の例示的な実施形態において、前記ニューラルネットワークに基づく処理は、データ取得の少なくとも1つの物理モデルから計算された1つ以上の入力に基づくニューラルネットワークに基づく。 In an exemplary embodiment of the present invention, the neural network-based processing is based on a neural network based on one or more inputs calculated from at least one physical model of data acquisition.

本発明の例示的な実施形態では、データ取得の物理モデルから計算される前記少なくとも1つの入力は、データ不一致関数の勾配、散乱光子分布の推定値、または検出器ピクセル間のクロストークの表現、またはパイルアップの表現(a gradient of a data discrepancy function, an estimate of a scattered photon distribution, or a representation of cross-talk between detector pixels, or a representation of pile-up)である。 In an exemplary embodiment of the invention, the at least one input calculated from a physical model of data acquisition is a gradient of a data discrepancy function, an estimate of a scattered photon distribution, or a representation of cross-talk between detector pixels, or a representation of pile-up.

本発明の例示的な実施形態では、前記処理は、アンロール最適化ニューラルネットワークアーキテクチャ(unrolled optimization neural network architecture)を含むニューラルネットワークに基づいている。 In an exemplary embodiment of the present invention, the process is based on a neural network that includes an unrolled optimization neural network architecture.

本発明の例示的な実施形態では、前記処理はクラメールラオの下限(Cramer-Rao lower bound)に基づく画像空間またはサイノグラム空間における少なくとも1つの標準偏差、分散または共分散マップを入力とするニューラルネットワークに基づく。 In an exemplary embodiment of the invention, the process is based on a neural network that takes as input at least one standard deviation, variance or covariance map in image space or sinogram space based on the Cramer-Rao lower bound.

本発明の例示的な実施形態では、前記処理は、以下のステップを実行するニューラルネットワークに基づくことができる。
エネルギー分解X線画像データの少なくとも1つの表現(at least one
representation)に対して少なくとも2つの基底物質分解を実行し、少なくとも2つの元の基底画像表現セットをもたらすステップと、
前記元の基底画像表現セットの少なくとも2つから少なくとも2つの基底画像表現を取得または選択するステップと、
前記得られたまたは選択された基底画像表現を、前記ニューラルネットワークに基づくデータ処理で処理し、その結果、基底画像表現セットの事後確率分布を表現するステップ。
In an exemplary embodiment of the invention, the process may be based on a neural network that performs the following steps:
At least one representation of energy resolved X-ray image data
performing at least two basis material decompositions on the image representation, resulting in at least two sets of original basis image representations;
obtaining or selecting at least two basis image representations from at least two of the original sets of basis image representations;
Processing the obtained or selected basis image representations with the neural network based data processing to result in a representation of a posterior probability distribution over a set of basis image representations.

本発明の例示的な実施形態では、前記処理は、ラベル、すなわち訓練セット内のネットワーク入力に対応する所定の出力と、ネットワーク出力との間の画像空間またはサイノグラム空間における不一致尺度として計算される損失関数を最小化することによって訓練されるニューラルネットワークに基づく。 In an exemplary embodiment of the invention, the process is based on a neural network that is trained by minimizing a loss function that is calculated as a disparity measure in image or sinogram space between the labels, i.e., given outputs corresponding to the network inputs in the training set, and the network outputs.

本発明の例示的な実施形態では、前記損失関数は、加重平均二乗誤差、カルバックライブラ擬距離(Kullback-Leibler distance)、またはワッサースタイン距離(Wasserstein distance)に基づく。 In an exemplary embodiment of the present invention, the loss function is based on weighted mean squared error, Kullback-Leibler distance, or Wasserstein distance.

本発明の例示的な実施形態において、前記損失関数は、異なる重み係数で組み込まれた少なくとも2つの異なる基底物質成分を組み込んでいる。 In an exemplary embodiment of the present invention, the loss function incorporates at least two different basis material components incorporated with different weighting factors.

本発明の例示的な実施形態では、前記損失関数は、元の基底に対して変換された基底における基底係数のセットに基づいて計算される。 In an exemplary embodiment of the present invention, the loss function is calculated based on a set of basis coefficients in a basis transformed relative to the original basis.

本発明の例示的な実施形態では、アルゴリズムは、意図的にモデル誤差を導入して生成された画像データでトレーニングされる。これにより、ニューラルネットワーク推定器をモデル誤差およびモデルの不確実性に対してより堅牢(ロバスト)にすることができる。また、この手法により、未知のモデル誤差による画像の不確実性を確率的ニューラルネットワークに取り込ませることができる。 In an exemplary embodiment of the present invention, the algorithm is trained on image data that is generated with deliberately introduced model error. This makes the neural network estimator more robust to model error and model uncertainty. This approach also allows the image uncertainty due to unknown model error to be incorporated into the probabilistic neural network.

補完的な態様によれば、スペクトルCTにおける深層学習画像再構成などの機械学習画像再構成のための不確実性マップを生成する方法の非限定的な例が提供される。 According to a complementary aspect, a non-limiting example of a method for generating an uncertainty map for machine learning image reconstruction, such as deep learning image reconstruction in spectral CT, is provided.

図7は、スペクトルCTにおける深層学習画像再構成等の機械学習画像再構成のための不確定性マップ生成方法の一例を示す概略フロー図である。 Figure 7 is a schematic flow diagram illustrating an example of a method for generating an uncertainty map for machine learning image reconstruction, such as deep learning image reconstruction in spectral CT.

この方法は、以下のステップを含む。
エネルギー分解X線データを取得するステップ(S11)。少なくとも1つの再構成基底画像またはその画像特徴の事後確率分布の表現が得られるように、少なくとも1つのニューラルネットワークに基づいて前記エネルギー分解X線データを処理するステップ(S12)。事後確率分布の前記表現に基づいて、少なくとも1つの再構成画像、または派生画像、またはその画像特徴について、1つまたは複数の不確実性マップを生成するステップ(S13)。
The method includes the following steps.
The method includes the steps of: acquiring (S11) energy resolved X-ray data; processing (S12) said energy resolved X-ray data based on at least one neural network to obtain a representation of a posterior probability distribution for at least one reconstructed basis image or image feature thereof; generating (S13) one or more uncertainty maps for at least one reconstructed image, or derived image, or image feature thereof based on said representation of a posterior probability distribution.

本発明の例示的な実施形態において、1つ以上の不確実性マップを生成するステップは、少なくとも1つの基底係数の分散または標準偏差のマップ、および/または少なくとも1つの基底関数の組の共分散または相関係数の少なくとも1つのマップを生成するステップを含む。 In an exemplary embodiment of the invention, generating one or more uncertainty maps includes generating at least one map of variance or standard deviation of at least one basis coefficient and/or at least one map of covariance or correlation coefficient of at least one set of basis functions.

一例として、エネルギー分解X線データは、光子計数型X線検出器から取得されるか、光子計数型X線検出器によって取得されるか、または前記エネルギー分解X線データを記憶する中間メモリから取得される。 As an example, the energy resolved X-ray data is obtained from, or by, a photon counting X-ray detector, or from an intermediate memory that stores the energy resolved X-ray data.

本発明の例示的な実施形態では、前記ニューラルネットワークは、少なくとも5つの層を有する畳み込みニューラルネットワーク(CNN)である。 In an exemplary embodiment of the present invention, the neural network is a convolutional neural network (CNN) having at least five layers.

本発明の例示的な実施形態では、事後確率分布の前記表現は、複数の画像特徴の平均及び分散によって規定される。 In an exemplary embodiment of the present invention, the representation of the posterior probability distribution is defined by the mean and variance of multiple image features.

本発明の例示的な実施形態において、事後確率分布の前記表現は、前記分布からの多数のモンテカルロ標本(a number of Monte Carlo samples)によって与えられることができる。 In an exemplary embodiment of the invention, the representation of the posterior probability distribution can be given by a number of Monte Carlo samples from the distribution.

本発明の例示的な実施形態において、前記ニューラルネットワークに基づく処理は、確率的ニューラルネットワーク(stochastic neural network)による処理を含み得る。 In an exemplary embodiment of the present invention, the neural network-based processing may include processing using a stochastic neural network.

本発明の例示的な実施形態では、前記ニューラルネットワークは、ランダムドロップアウト、ノイズ挿入、変分オートエンコーダ、またはノイズ確率的勾配降下(random dropout, noise insertion, a variational autoencoder or noisy stochastic gradient de-scent)に基づいて動作するように構成される。 In an exemplary embodiment of the present invention, the neural network is configured to operate based on random dropout, noise insertion, a variational autoencoder or noisy stochastic gradient de-scent.

本発明の例示的な実施形態において、前記ニューラルネットワークに基づく前記処理は、確率分布の尺度を提供する決定論的ニューラルネットワークによる処理を含み得る。 In an exemplary embodiment of the present invention, the neural network-based processing may include processing with a deterministic neural network that provides a measure of probability distribution.

本発明の例示的な実施形態では、前記ニューラルネットワークに基づく処理は、再構成画像または画像特徴の不確実性の尺度を提供する決定論的ニューラルネットワーク(deterministic neural network)による処理を含むことができる。 In an exemplary embodiment of the invention, the neural network based processing may include processing with a deterministic neural network that provides a measure of uncertainty in the reconstructed image or image features.

本発明の例示的な実施形態では、前記ニューラルネットワークに基づく処理は、データ取得の少なくとも1つの物理モデルから計算された1つ以上の入力に基づくニューラルネットワークに基づく。 In an exemplary embodiment of the present invention, the neural network-based processing is based on a neural network based on one or more inputs calculated from at least one physical model of data acquisition.

本発明の例示的な実施形態では、データ取得の物理モデルから計算される前記少なくとも1つの入力は、データ不一致関数の勾配、散乱光子分布の推定値、または検出器ピクセル間のクロストークの表現、またはパイルアップの表現(a gradient of a data discrepancy function, an estimate of a scattered photon distribution, or a representation of cross-talk between detector pixels, or a representation of pile-up)である。 In an exemplary embodiment of the invention, the at least one input calculated from a physical model of data acquisition is a gradient of a data discrepancy function, an estimate of a scattered photon distribution, or a representation of cross-talk between detector pixels, or a representation of pile-up.

本発明の例示的な実施形態では、前記処理は、アンロール最適化ニューラルネットワークアーキテクチャ(unrolled optimization neural network architecture)を含むニューラルネットワークに基づいている。 In an exemplary embodiment of the present invention, the process is based on a neural network that includes an unrolled optimization neural network architecture.

本発明の例示的な実施形態では、前記処理は、クラメールラオの下限に基づく画像空間またはサイノグラム空間における少なくとも1つの標準偏差、分散または共分散マップを入力とするニューラルネットワークに基づく。 In an exemplary embodiment of the invention, the process is based on a neural network that takes as input at least one standard deviation, variance or covariance map in image space or sinogram space based on the Cramer-Rao lower bound.

本発明の例示的な実施形態において、前記処理は、ラベルとネットワーク出力との間の画像空間またはサイノグラム空間における不一致尺度(a discrepancy measure in image space or sinogram space)として計算される損失関数を最小化することによって訓練されるニューラルネットワークに基づく。 In an exemplary embodiment of the invention, the process is based on a neural network that is trained by minimizing a loss function that is calculated as a discrepancy measure in image space or sinogram space between the labels and the network output.

本発明の例示的な実施形態では、前記損失関数は、少なくとも2つの異なる基底物質成分が異なる重み係数で組み込まれた加重平均二乗誤差(weighted mean square error)に基づいている。 In an exemplary embodiment of the present invention, the loss function is based on a weighted mean square error in which at least two different basis material components are incorporated with different weighting factors.

提案技術の理解を容易にするための例示的な枠組みを提供するために、次に、CT画像再構成という特定の文脈における深層学習に基づく画像再構成の具体例を示す。 To provide an illustrative framework to facilitate understanding of the proposed technique, we next present a concrete example of deep learning-based image reconstruction in the specific context of CT image reconstruction.

しかし、CTアプリケーションにおける深層学習画像再構成の信頼性の表示を提供するための提案された技術は、CTのための深層学習に基づく画像再構成に一般的に適用可能であり、深層学習に基づく画像再構成の以下の特定の例に限定されないことが理解されるべきである。 However, it should be understood that the proposed technique for providing an indication of the reliability of deep learning image reconstruction in CT applications is generally applicable to deep learning based image reconstruction for CT and is not limited to the following specific example of deep learning based image reconstruction.

一例として、開示された発明は、再構成された物質選択X線CT画像の信頼性マップを提供することができる。このような信頼性マップは、再構成アルゴリズムが高い信頼度で決定できた画像の部分を強調することができる。 As an example, the disclosed invention can provide a confidence map of a reconstructed material-selective X-ray CT image. Such a confidence map can highlight parts of the image that the reconstruction algorithm was able to determine with high confidence.

特に、このような画像は、ヨウ素のような造影剤の分布の画像に対して提供することができる。ヨウ素を3基底分解で定量化することはノイズに非常に敏感であり、したがって、深層学習アルゴリズムのような再構成アルゴリズムは、この画像を得るために事前情報を大きく利用する必要がある場合があることが理解される。従って、ヨウ素の濃度に対する信頼性マップは、例えば図8に模式的に示されるように、放射線科医のような観察者が画像を解釈できるようにするために有用である。 In particular, such images can provide images of the distribution of contrast agents such as iodine. It is understood that quantifying iodine in a 3-basis decomposition is very sensitive to noise and therefore reconstruction algorithms such as deep learning algorithms may need to make heavy use of prior information to obtain this image. A confidence map for iodine concentration is therefore useful to enable an observer such as a radiologist to interpret the image, as for example shown diagrammatically in FIG. 8.

さらに、分解された基底画像およびサイノグラムのノイズは、通常、異なる基底物質画像間で高い相関があることが理解される。さらに、画像再構成アルゴリズムが不完全な場合、ヨウ素を含む領域のような基底画像の1つの特徴が、骨の基底画像のような別の基底画像にアーチファクトとして現れる可能性があることが理解される。したがって、個々の物質マップの不確かさだけでなく、異なる物質マップ間の共分散も予測することが重要である。これにより、不確かさの伝播のための公式またはアルゴリズムを使用して信頼性マップを伝播し、派生画像(例えば仮想非造影画像、仮想非カルシウム画像、仮想単エネルギー画像、または合成ハウンズフィールド単位画像の不確実性マップ(a virtual non-contrast image, a virtual non-calcium image, a virtual monoenergetic image, or a syn-thetic Hounsfield unit image))を得ることができる。 Furthermore, it is understood that the noise in the decomposed basis images and sinograms is usually highly correlated between different basis material images. Furthermore, it is understood that features of one basis image, such as an area containing iodine, may appear as an artifact in another basis image, such as a bone basis image, if the image reconstruction algorithm is imperfect. Therefore, it is important to predict not only the uncertainty of the individual material maps, but also the covariance between different material maps. This allows the uncertainty propagation formula or algorithm to be used to propagate the confidence map and obtain a derived image, such as an uncertainty map of a virtual non-contrast image, a virtual non-calcium image, a virtual monoenergetic image, or a syn-thetic Hounsfield unit image.

開示された本発明の非限定的な実施形態では、少なくとも1つの不確実性マップと共に少なくとも1つの基底物質画像を生成する方法が提供され、前記不確実性マップは、前記基底物質画像の不確かさ又は誤差推定値の表現である。このような少なくとも1つの不確実性マップと共に少なくとも1つの基底物質画像を、別個の画像として、または例えばカラーオーバーレイとして組み合わせてユーザに提示することができる。別の可能性としては、少なくとも1つの不確実性マップを、例えばぼかしフィルタによって、基底物質マップの歪みフィルタの形で提示することができる。 In a non-limiting embodiment of the disclosed invention, a method is provided for generating at least one basis material image together with at least one uncertainty map, the uncertainty map being a representation of the uncertainty or error estimate of the basis material image. Such at least one basis material image together with the at least one uncertainty map can be presented to a user as separate images or in combination, for example as a color overlay. Another possibility is that the at least one uncertainty map can be presented in the form of a distortion filter of the basis material map, for example by a blur filter.

図9は、分散マップまたは不確実性マップとともに平均物質画像を生成する確率的ニューラルネットワークの非限定的な例を示す。 Figure 9 shows a non-limiting example of a probabilistic neural network that generates an average material image along with a variance map or uncertainty map.

図10は、物質濃度マップを不確実性マップにマッピングするディープニューラルネットワークを示している。このようなマップは、基底物質マップと一緒に提示することも、別々に提示することもできる(Bone:骨、Soft Tissue:軟組織、Iodine:ヨウ素)。 Figure 10 shows a deep neural network that maps material concentration maps to uncertainty maps. Such maps can be presented together with the underlying material maps or separately (Bone, Soft Tissue, Iodine).

また、高精度のCT画像を生成するには、光子計数検出器のような優れたエネルギー分解能を有する検出器が必要であることも理解される。エネルギー分解された測定データから高精度のCT画像を生成するためには、正確な物理モデルが有益であることも理解される。このような物理モデルは、例えば反復最適化ループをアンロールする(unrolling an iterative optimization loop)ことによって、深層学習画像処理又は再構成アルゴリズムに組み込むことができる。 It is also understood that to generate highly accurate CT images, detectors with good energy resolution, such as photon counting detectors, are required. It is also understood that to generate highly accurate CT images from energy resolved measurement data, accurate physical models are beneficial. Such physical models can be incorporated into deep learning image processing or reconstruction algorithms, for example by unrolling an iterative optimization loop.

図11は、サイノグラム空間基底物質分解のための、このようなアンロール反復ループの例示的な実施形態を示す。これにより、入力サイノグラムは、一連のニューラルネットワークブロックを通して処理され、各ブロックは、1つまたは複数のニューラルネットワーク層を含み得る。前述したように、エネルギーサイノグラムは、例えば、特定のエネルギービンにおいて測定された計数(カウント数)を含み得る。各ブロックは、例えば尤度関数または対数尤度関数(a likelihood function or log-likelihood function)などの目標関数の勾配の推定値とともに、先行するブロックからの出力を入力として偽る。本発明の一実施形態では、この尤度関数は、基底物質サイノグラムの推定値が与えられた測定カウントの特定の組み合わせを検出するための尤度関数とすることができる。好ましい実施形態では、ニューラルネットワークの層は、畳み込みニューラルネットワークの層、すなわち畳み込み層(convolutional layers)であり得る。好ましい実施形態では、ニューラルネットワークは、グラフィック処理ユニット(GPU)を使用して実装される。これは非限定的な例であり、ニューラルネットワーク内部の投影および逆投影操作によって、ネットワークが物質画像またはエネルギービン計数画像(energy bin count images)を物質画像に変換する、またはビン計数(ビンカウント)または物質サイノグラムを物質画像に変換することができることを理解されたい。 FIG. 11 illustrates an exemplary embodiment of such an unrolled iterative loop for sinogram space basis material decomposition. Thereby, an input sinogram is processed through a series of neural network blocks, each of which may include one or more neural network layers. As previously mentioned, an energy sinogram may include, for example, the counts measured in a particular energy bin. Each block fakes as input the output from the preceding block along with an estimate of the gradient of an objective function, for example a likelihood function or log-likelihood function. In one embodiment of the present invention, the likelihood function may be a likelihood function for detecting a particular combination of measurement counts given an estimate of the basis material sinogram. In a preferred embodiment, the layers of the neural network may be layers of a convolutional neural network, i.e., convolutional layers. In a preferred embodiment, the neural network is implemented using a graphics processing unit (GPU). It should be understood that this is a non-limiting example, and that projection and backprojection operations within the neural network allow the network to convert material images or energy bin count images to material images, or convert bin counts or material sinograms to material images.

上述したアンロール勾配降下アルゴリズム(unrolled gradient descent algorithm)とは別に、ニュートン法、共役勾配法、ネステロフ加速法、またはプライマル-デュアル法(a Newton method, a conjugate gradient method, a Nesterov- accelerated method or a pri-mal-dual method)などの他の反復アルゴリズムをアンロールすることができ、その結果、異なるネットワークアーキテクチャ、または各ネットワーク層への入力としての画像推定値の異なる関数が得られる。 Apart from the unrolled gradient descent algorithm mentioned above, other iterative algorithms can be unrolled, such as a Newton method, a conjugate gradient method, a Nesterov- accelerated method or a pri-mal-dual method, resulting in different network architectures or different functions of the image estimate as input to each network layer.

本発明の例示的な実施形態では、ニューラルネットワークアーキテクチャは、焦点スポット形状、X線スペクトル形状、電荷共有、患者内の散乱、検出器内部の散乱、またはパイルアップ(the focal spot shape, the x-ray spectrum shape, charge sharing, scatter in the patient, scatter inside the detector or pile-up)のモデルに基づく物理モード!または補正項を考慮した物質分解法に基づくことができる。これらにより、ニューラルネットワーク内の1つまたは複数のステップで、推定出力に異なる関数を適用することができる。 In an exemplary embodiment of the invention, the neural network architecture can be based on physics modes based on models of the focal spot shape, the x-ray spectrum shape, charge sharing, scatter in the patient, scatter inside the detector or pile-up! or material decomposition methods that take into account correction terms. These allow different functions to be applied to the estimated output at one or more steps in the neural network.

光子計数検出器と慎重な物理モデリング(careful physics modeling)の組み合わせにより、高精度の光子計数画像を生成することができる。この高精度の利点は、信頼性の高い誤差推定を提供することで向上することが理解される。提案する技術は、スペクトルCTとニューラルネットワークベースの誤差推定を併用することで、誤差推定とともに高精度の定量画像を生成できるという知見に基づいている。さらに、画像推定と不確かさ推定の両方は、画像取得の物理学に関する少なくとも1つのモデルを組み込むことによってさらに改善できることが理解される。 The combination of photon-counting detectors and careful physics modeling allows the generation of highly accurate photon-counting images. It is appreciated that the benefit of this high accuracy can be enhanced by providing reliable error estimation. The proposed technique is based on the finding that the combined use of spectral CT and neural network-based error estimation allows the generation of highly accurate quantitative images together with error estimation. It is further appreciated that both the image estimation and the uncertainty estimation can be further improved by incorporating at least one model of the physics of image acquisition.

例として、不確実性マップを生成する方法を開示する。ベイズニューラルネットワークのような確率的ニューラルネットワークを使用して、観察/測定データ(observed / measured data)と訓練セット(training set)が与えられた1つ以上の画像の事後確率分布からサンプルを生成することができる。一例として、訓練セットは、入出力ペアのセットを含むことができ、各訓練入力はビンサイノグラムのセットであり、訓練出力(ラベル)は基底画像のセットである。このような組は、例えば、数値ファントムのCT撮像のシミュレーションを通じて、又は、既知の組成を有する物理的ファントム(physical phantoms)の測定を通じて生成することができる。別の例では、このようなトレーニングペアは患者のCT撮像によって生成され、トレーニング出力は再構成画像として得られ、トレーニング入力は測定されたサイノグラムとして、余分なノイズが追加された修正サイノグラムとして、又はより低い線量で取得された同じ被写体の別のCT撮影からのサイノグラムとして得ることができる。訓練出力と比較してノイズが増加した訓練入力を使用することによって、結果として得られる訓練されたニューラルネットワークは、ノイズを低減する能力を達成することができ、本発明の別の実施形態では、入力データは、基底サイノグラムの集合、再構成されたビン画像の集合、又は基底画像の集合であってもよく、本発明のさらに別の実施形態では、入力データは、基底サイノグラムの集合、再構成されたビン画像の集合、又は基底画像の集合であってもよい、このようにして、サイノグラム領域または画像領域のいずれかで動作し、基底またはビン画像またはサイノグラムの基底分解またはノイズ除去を実行するニューラルネットワークを構築することができる。 As an example, a method for generating an uncertainty map is disclosed. A probabilistic neural network, such as a Bayesian neural network, can be used to generate samples from a posterior probability distribution of one or more images given observed/measured data and a training set. As an example, the training set can include a set of input-output pairs, where each training input is a set of bin sinograms and the training output (labels) is a set of basis images. Such pairs can be generated, for example, through simulation of CT imaging of a numerical phantom or through measurement of physical phantoms with known composition. In another example, such training pairs are generated by CT imaging of a patient, where the training output is obtained as a reconstructed image and the training input can be obtained as a measured sinogram, as a modified sinogram with extra noise added, or as a sinogram from another CT imaging of the same object acquired at a lower dose. By using training inputs with increased noise compared to the training output, the resulting trained neural network can achieve the ability to reduce noise, and in another embodiment of the present invention, the input data can be a set of basis sinograms, a set of reconstructed bin images, or a set of basis images, and in yet another embodiment of the present invention, the input data can be a set of basis sinograms, a set of reconstructed bin images, or a set of basis images, and in this way, neural networks can be constructed that operate in either the sinogram domain or the image domain and perform basis decomposition or denoising of the basis or bin images or sinograms.

一旦訓練されると、ニュートラルネットワークは、観察/測定されたデータを処理して、例えば臨床設定における「ランタイム(run-time)」中に、考慮された各画像の不確実性マップ又は信頼性マップのような信頼性表示を生成する準備が整う。この種のニューラルネットワークは、入力に依存するランダム変数である出力をネットワークに提供する。同じデータをこのネットワークに供給することにより、事後確率分布をサンプリングすることができる。例えば、不確実性マップは、このような多数のサンプルの標準偏差として生成することができる。 Once trained, the neural network is ready to process the observed/measured data to generate, during "run-time" in, for example, a clinical setting, a reliability representation such as an uncertainty map or confidence map for each image considered. This kind of neural network provides the network with outputs that are random variables that depend on the inputs. By feeding the same data to this network, the posterior probability distribution can be sampled. For example, an uncertainty map can be generated as the standard deviation of a large number of such samples.

基底物質画像の不確実性マップを生成するこのようなニューラルネットワークは、マルチエネルギーチャネル画像および/またはサイノグラムデータを処理するために特別に設計される必要がある。具体的には、このようなニューラルネットワークは、エネルギー分解された測定データの少なくとも2つの表現、例えば2つのエネルギービン画像または2つの事前分解された基底物質画像を入力とすることができる。また、このようなニューラルネットワークは、少なくとも1つの基底物質画像の少なくとも1つの不確定性マップを生成することができる。このようなニューラルネットワークは、異なる物質マップを共同で処理してもよいし、別個に処理してもよいし、いくつかの層については別個に処理し、その後、少なくとも1つの層については共同で処理してもよい。 Such neural networks generating the uncertainty map of the basis material images need to be specially designed for processing multi-energy channel images and/or sinogram data. In particular, such neural networks can take as input at least two representations of energy resolved measurement data, e.g. two energy bin images or two pre-resolved basis material images. Such neural networks can also generate at least one uncertainty map for at least one basis material image. Such neural networks can process different material maps jointly, separately, or separately for some layers and then jointly for at least one layer.

基底物質画像または不確定性マップ、またはその両方を生成するためのニューラルネットワーク推定器は、得られる画像の空間分解能を調整するために、調整可能なフィルタサイズを有する平滑化フィルタを組み込むことができることが理解される。このような調整可能なフィルタまたはフィルタは、例えば、少なくとも1つの層においてガウス平滑化の形態をとることができる。ニューラルネットワークは、前記調整可能なフィルタまたはフィルタの1つまたは複数のパラメータを変化させたときに、変化する解像度特性を有する一連の画像を生成するように訓練することができる。訓練後、ニューラルネットワークは、前記調整可能なフィルタの少なくとも1つのパラメータを調整することによって、変化する解像度の画像を生成するために使用することができる。このような調整可能フィルタは、各物質画像において所望の空間分解能およびノイズ特性を達成するために、異なる基底物質画像に異なるフィルタ特性、例えば、カーネルサイズで適用することができる。 It will be appreciated that the neural network estimator for generating the basis material images or the uncertainty map, or both, may incorporate a smoothing filter having an adjustable filter size to adjust the spatial resolution of the resulting images. Such an adjustable filter or filters may take the form of Gaussian smoothing, for example, in at least one layer. The neural network may be trained to generate a series of images having varying resolution characteristics when one or more parameters of said adjustable filter or filters are varied. Once trained, the neural network may be used to generate images of varying resolution by adjusting at least one parameter of said adjustable filter. Such adjustable filters may be applied with different filter characteristics, e.g., kernel sizes, to different basis material images to achieve a desired spatial resolution and noise characteristics in each material image.

ベイジアンニューラルネットワークは、訓練入力画像が与えられたときの出力分布と、訓練出力画像の分布(訓練ラベルとも呼ばれる)との間の不一致を最小化することによって訓練することができる。このような不一致は、平均二乗誤差、カルバックライブラダイバージェンス、またはワッサースタイン距離(a mean squared error, a Kullback-Leibler divergence or a Wasserstein distance)で測定することができる。「訓練入力画像(training input images)」および「訓練出力画像(training output images)」の概念は、非限定的なものであり、例えば、ビン画像またはサイノグラム、あるいは基底画像またはサイノグラムとなり得る画像データの表現を指すことが理解されるべきである。 A Bayesian neural network can be trained by minimizing the discrepancy between the output distribution given training input images and the distribution of training output images (also called training labels). Such discrepancy can be measured by a mean squared error, a Kullback-Leibler divergence or a Wasserstein distance. It should be understood that the concepts of "training input images" and "training output images" are non-limiting and refer to representations of image data, which can be, for example, bin images or sinograms, or basis images or sinograms.

このような確率的ニューラルネットワークは、例えば、固定され得るかまたはデータから学習され得るある確率でネットワークが接続するランダムドロップアウト(random dropout)に基づくことができる(図13)。本発明の別の実施形態では、確率的ニューラルネットワークは、少なくとも1つのネットワーク層の後の付加的ノイズ挿入(additive noise insertion)に基づくことができる(図14)。この加法的ノイズ挿入は、乗法的ノイズ挿入または他のタイプのノイズ挿入に置き換えることもできる。 Such a probabilistic neural network can be based, for example, on random dropout, where the network connects with a probability that can be fixed or learned from data (Figure 13). In another embodiment of the invention, the probabilistic neural network can be based on additive noise insertion after at least one network layer (Figure 14). This additive noise insertion can also be replaced by multiplicative noise insertion or other types of noise insertion.

本発明の別の実施形態では、確率的ニューラルネットワークは変分オートエンコーダ(variational autoencoder)として実装される(図15)この変分オートエンコーダは、まずデータ入力ベクトルを正規分布パラメータなどの潜在確率変数の確率分布のパラメータにエンコードする。次に潜在変数の事後サンプルの集合が潜在分布から引き出され、結果の事後観測値を得るためにデコーダによって処理される。これらの事後オブザベーションは、事後平均(最終結果)と事後分散(posterior variance、結果の不確実性マップ)を計算するために使用される。 In another embodiment of the present invention, the probabilistic neural network is implemented as a variational autoencoder (Figure 15). This variational autoencoder first encodes the data input vector into parameters of a probability distribution of the latent random variables, such as normal distribution parameters. A set of posterior samples of the latent variables are then drawn from the latent distribution and processed by a decoder to obtain posterior observations of the outcome. These posterior observations are used to compute the posterior mean (the final outcome) and posterior variance (an uncertainty map of the outcome).

特に、ニューラルネットワークを訓練するために使用されるこの不一致又は損失関数(discrepancy or loss function)は、異なる基底成分を異なるように扱うことにより、それらの異なるノイズレベル及び潜在的に異なる臨床的重要性を反映して、スペクトルCT物質分解の状況に適合されることが最適である。一例として、データ不一致が計算される前に、基底画像は基底の変更によって変換されることがある。例えば、データの不一致は、トレーニングセットからの基底画像とネットワークからの出力として生成された基底投影とを比較することによって計算することができ、別の例では、データの不一致は、基底画像を一組のモノエネルギー画像(set of monoenergetic images)に変換し、これらをトレーニングセットとネットワーク出力との間で比較することによって計算することができる。データの不一致の計算にどのタイプの画像が使用されるかに応じて、ニューラルネットワークのノイズ除去方法の性能は、エンドユーザに示すのに関心のあるタイプの画像に対して最適化することができる。別の例では、データ不一致を計算する数学的関数は、低ノイズがより重要である画像のタイプにおいて、不偏性(unbiasedness)がより重要である画像のタイプと比較して、より大きなノイズ抑制を得るために、基底画像の異なる線形結合を異なるように重み付けすることができる。例えば、試料の物質組成を正確に評価するためには、有効原子番号(effective atomic number)のマップにおいて不偏性を達成することがより重要である一方で、70keVの単色画像においてノイズを最小化することが好ましい場合がある。 In particular, the discrepancy or loss function used to train the neural network is optimally adapted to the context of spectral CT material decomposition, by treating different basis components differently, reflecting their different noise levels and potentially different clinical importance. As an example, the basis images may be transformed by basis modification before the data discrepancy is calculated. For example, the data discrepancy may be calculated by comparing the basis images from the training set with the basis projections generated as output from the network, and in another example, the data discrepancy may be calculated by transforming the basis images into a set of monoenergetic images and comparing these between the training set and the network output. Depending on which type of image is used to calculate the data discrepancy, the performance of the neural network denoising method may be optimized for the type of image that is of interest to show to the end user. In another example, the mathematical function that calculates the data discrepancy may weight different linear combinations of the basis images differently to obtain greater noise suppression in types of images where low noise is more important compared to types of images where unbiasedness is more important. For example, to accurately assess the material composition of a sample, it may be preferable to minimize noise in the 70 keV monochromatic images, while achieving unbiasedness in the effective atomic number map is more important.

不確定性マップの生成の一部として、又は不確定性マップの生成に加えて、開示された方法を使用して、1つ又は複数の導出された画像特徴、例えば放射線画像特徴の不確定性推定値を生成することが可能である。このような特徴の例としては、病変の体積、領域の平均密度、領域の平均有効原子番号、又は領域にわたる不均一性の標準偏差又は別の尺度が挙げられる。このような派生特徴の誤差推定値を生成するために、確率的ニューラルネットワークを使用して画像リアライゼーションのセット(a set of image realizations)を生成することができる。そして、特徴の不確実性は、例えば、これらのリアライゼーションの標準偏差として求めることができる。 As part of or in addition to generating the uncertainty map, the disclosed methods can be used to generate uncertainty estimates for one or more derived image features, e.g., radiological image features. Examples of such features include the volume of a lesion, the average density of a region, the average effective atomic number of a region, or the standard deviation or another measure of heterogeneity across a region. To generate error estimates for such derived features, a probabilistic neural network can be used to generate a set of image realizations. The uncertainty of the feature can then be determined, for example, as the standard deviation of these realizations.

例えば、2つ以上の基底関数を用いて正確な基底分解を行うことは実際には難しく、アーチファクトや偏り(bias:バイアス)、過剰なノイズが発生する可能性がある。また、このような基底分解は、正確な結果を得るために、大規模な較正測定やデータの前処理を必要とする場合がある。一般に、より多くの基底関数への基底分解は、より少ない基底関数への分解よりも技術的に困難な場合がある。 For example, performing an accurate basis decomposition using more than two basis functions can be difficult in practice and can introduce artifacts, bias, and excessive noise. Also, such basis decompositions may require extensive calibration measurements and data preprocessing to obtain accurate results. In general, a basis decomposition into a larger number of basis functions can be technically more challenging than a decomposition into a smaller number of basis functions.

例えば、2基底分解と比較して、画像の偏りやアーチファクトの少ない3基底分解を行うのに十分な精度のキャリブレーションを行うことが困難な場合がある。また、過度にノイズの多い基底画像を生成することなく、ノイズの多いデータで3基底分解を実行できる物質分解アルゴリズムを見つけることが困難な場合がある。すなわち、クラメールラオの下限によって与えられる基底画像ノイズの理論的下限を達成することが困難な場合がある一方、2基底分解を実行する場合にはこの下限を達成することが容易な場合がある。 For example, it may be difficult to calibrate accurately enough to produce a 3-basis decomposition with less image bias and artifacts compared to a 2-basis decomposition. Also, it may be difficult to find a material decomposition algorithm that can perform a 3-basis decomposition on noisy data without producing overly noisy basis images. That is, it may be difficult to achieve the theoretical lower bound on the basis image noise given by the Cramer-Rao lower bound, whereas it may be easier to achieve this lower bound when performing a 2-basis decomposition.

一例として、より多くの数の基底画像表現を生成するために必要な情報量は、各々がより少ない数の基底画像表現を有する複数の基底画像表現のセットから抽出することが可能である場合がある。例えば、水、カルシウム、ヨウ素のサイノグラムへの3つの基底分解を生成するのに必要な情報は、3つの2つの基底分解(水-カルシウム分解、水-ヨウ素分解、カルシウム-ヨウ素分解)のセットから抽出することが可能な場合がある。 As an example, the amount of information required to generate a larger number of basis image representations may be possible to extract from a set of multiple basis image representations, each having a smaller number of basis image representations. For example, the information required to generate a three basis decomposition into a sinogram of water, calcium, and iodine may be possible to extract from a set of three two-basis decompositions (water-calcium decomposition, water-iodine decomposition, calcium-iodine decomposition).

単一の3基底分解を正確に実行するよりも、複数の2基底分解を正確に実行する方が簡単かもしれない。この観察は、例えば、正確な3基底分解を実行する問題を解決するために使用することができる。例として、エネルギー分解された画像データは、まず、水-カルシウム分解、水-ヨウ素分解、およびカルシウム-ヨウ素分解を実行するために使用される。次に、畳み込みニューラルネットワークを使用して、得られた6つの基底画像、またはそのサブセットを、水、カルシウム、およびヨウ素画像を含む3つの出力画像のセットにマッピングすることができる。このようなネットワークは、入力データとして複数の2基底画像表現セット、出力データとして3基底画像表現セットを用いて訓練することができ、前記2基底画像表現セットおよび3基底画像表現セットは、測定された患者画像データもしくはファントム画像データから、または数値ファントムに基づくシミュレーション画像データから生成されている。 It may be easier to accurately perform multiple 2-basis decompositions than to accurately perform a single 3-basis decomposition. This observation can be used, for example, to solve the problem of performing an accurate 3-basis decomposition. As an example, the energy-resolved image data is first used to perform water-calcium, water-iodine, and calcium-iodine decompositions. A convolutional neural network can then be used to map the resulting six basis images, or a subset thereof, to a set of three output images including water, calcium, and iodine images. Such a network can be trained with multiple 2-basis image representation sets as input data and 3-basis image representation sets as output data, the 2-basis and 3-basis image representation sets being generated from measured patient or phantom image data, or from simulated image data based on a numerical phantom.

前述の方法により、3基底画像表現セットのバイアス、アーチファクト、またはノイズは、エネルギー分解画像データに対して直接実行される3基底分解と比較して大幅に低減することができる。あるいは、より高解像度の画像を生成することができる。 The above method can significantly reduce bias, artifacts, or noise in the 3-basis image representation set compared to a 3-basis decomposition performed directly on the energy-resolved image data. Alternatively, higher resolution images can be generated.

ニューラルネットワークの代替または補完として、元の基底画像に適用される機械チーミングシステムまたは方法は、サポートベクターマシンまたは決定木ベースのシステムまたは方法などの別の機械学習システムまたは方法を含むことができる。 As an alternative or complement to neural networks, the machine teaming system or method applied to the original basis images can include another machine learning system or method, such as a support vector machine or a decision tree-based system or method.

元の基底画像表現を生成するために使用される基底物質分解ステップは、例えば体積又は質量の保存制約又は非負性制約(volume or mass preservation constraints or nonnegativity constraint)のような事前情報を含むことができる。あるいは、このような事前情報は、例えば以前の検査からの画像や全エネルギービンの総計カウントから再構成画像などの事前画像表現の形をとることができ、アルゴリズムは、分解された基底画像表現のこの事前画像表現からの逸脱にペナルティを課すことができる。別の選択肢は、例えば学習済み辞書や事前学習済み畳み込みニューラルネットワークとして表される学習画像セットから学習した事前情報、または学習済み部分空間、すなわち再構成画像が存在すると予想される可能な画像のベクトル空間の部分空間を使用することである。 The basis material decomposition step used to generate the original basis image representation can include prior information, such as volume or mass preservation constraints or nonnegativity constraints. Alternatively, such prior information can take the form of a prior image representation, such as an image from a previous examination or a reconstructed image from the aggregate counts of all energy bins, and the algorithm can penalize deviations of the decomposed basis image representation from this prior image representation. Another option is to use prior information learned, for example from a training image set represented as a trained dictionary or a pretrained convolutional neural network, or a trained subspace, i.e. a subspace of the vector space of possible images in which the reconstructed image is expected to reside.

物質分解は、例えば、測定された各投影光線を独立に処理することにより、投影画像データまたはサイノグラムデータに対して実施することができる。この処理は、最尤分解、または、撮像された物体内の物質組成に関する事前確率分布が仮定される最大事後分解の形態をとることができる。また、入力カウントの集合から出力カウントの集合への線形またはアフィン変換、Alvarez(Med Phys:2324-2334)、低次多項式近似例えばLeeら(IEEE Transactions on Medical Imaging(Volume:36 , Issue:2 , Feb.2017: 560-573)により例示的に記載されるような)、Alvarez(https://arxiv.org/abs/1702.01006)により例示的に記載されるようなニューラルネットワーク推定器またはルックアップテーブル。あるいは、物質分解法は、複数の光線を共同で処理してもよいし、1段階または2段階の再構成アルゴリズムを構成してもよい。 Material decomposition can be performed on the projection image data or sinogram data, for example, by processing each measured projection ray independently. This processing can take the form of a maximum likelihood decomposition, or a maximum a posteriori decomposition, where a prior probability distribution on the material composition in the imaged object is assumed. It can also take the form of a linear or affine transformation from the set of input counts to the set of output counts, a low-order polynomial approximation, e.g., as exemplarily described by Lee et al. (IEEE Transactions on Medical Imaging (Volume: 36, Issue: 2, Feb. 2017: 560-573)), a neural network estimator, or a look-up table, as exemplarily described by Alvarez (https://arxiv.org/abs/1702.01006). Alternatively, the material decomposition method may process multiple rays jointly, and may constitute a one-stage or two-stage reconstruction algorithm.

Optical Engineering 58(1), 013104に掲載されたChenとLiによる論文では、ディープニューラルネットワークを用いてスペクトルCTデータのマルチマテリアル分解を行う方法が開示されている。 A paper by Chen and Li in Optical Engineering 58(1), 013104, describes a method for multi-material decomposition of spectral CT data using deep neural networks.

Scientific Reports第9巻、論文番号:17709(2019年)に掲載されたPoirotらの論文は、畳み込みニューラルネットワークを用いてデュアルエネルギーCT画像から非造影シングルエネルギーCT画像を生成する方法を開示している。 A paper by Poirot et al. published in Scientific Reports, Vol. 9, Paper No. 17709 (2019) discloses a method for generating non-contrast single-energy CT images from dual-energy CT images using a convolutional neural network.

図8は、実施形態による不確実性マップの一例を示す概略図である。ヨウ素マップがヨウ素濃度の推定値を示すのに対し、ヨウ素信頼性マップは、画像の各所与の画素にヨウ素が存在することをアルゴリズムが予測できる信頼度を示す。得られた画像は、高い確率でヨウ素が存在する領域を強調し、暗い領域はヨウ素が存在しない可能性が高い領域である。 Figure 8 is a schematic diagram illustrating an example of an uncertainty map according to an embodiment. Whereas an iodine map provides an estimate of iodine concentration, an iodine confidence map provides an indication of the confidence with which the algorithm can predict that iodine is present at each given pixel of the image. The resulting image highlights areas where iodine is highly likely to be present, and darker areas are areas where iodine is likely not present.

図9は、物質分解問題を解決するために使用できるベイズ型または確率的ニューラルネットワークの一例を示す概略図である。この例示的なニューラルネットワークは、入力として8つのエネルギービンサイノグラムを取り、出力として物質サイノグラムの数Tを生成する。ニューラルネットワークはマッピングΨθで表され、θはランダムなパラメータベクトルである。このマッピングはランダムなパラメータに依存するため、同じ入力データにネットワークを複数回適用すると、異なる出力が得られる。このような出力の集合体の平均は物質マップの推定値として使用され、一方、分散は不確実性マップの推定値として使用される。 Figure 9 is a schematic diagram illustrating an example of a Bayesian or probabilistic neural network that can be used to solve the material decomposition problem. This exemplary neural network takes as input eight energy bin sinograms and produces as output a number T of material sinograms. The neural network is represented by a mapping Ψθ, where θ is a random parameter vector. Because this mapping depends on the random parameters, applying the network multiple times to the same input data will result in different outputs. The mean of the collection of such outputs is used as an estimate of the material map, while the variance is used as an estimate of the uncertainty map.

図10は、深層学習に基づく物質分解から得られた物質濃度マップを取り込み、信頼性マップを生成するニューラルネットワーク推定器の一例を示す概略図である。これらの信頼性マップは、骨、軟部組織及びヨウ素がそれぞれ存在する可能性が高い画像の領域を強調する。画像からわかるように、ヨウ素信頼性マップは、ヨウ素を取り込んでいる腫瘍がある領域を強調するが、この領域にヨウ素があることをアルゴリズムが完全に否定できないため、脊椎領域にも低いがゼロではない値を付ける。深層学習に基づく物質分解から得られた物質濃度マップへのニューラルネットワークの適用は例示的なものであり、本発明の別の実施形態では、ニューラルネットワークを、フィルタ逆投影などの他の方法を用いて再構成画像に適用することができる。 Figure 10 is a schematic diagram of an example of a neural network estimator that takes material concentration maps obtained from a deep learning-based material decomposition and generates confidence maps. These confidence maps highlight areas of the image where bone, soft tissue, and iodine are likely to be present, respectively. As can be seen in the image, the iodine confidence map highlights areas where there is a tumor taking up iodine, but also gives a low but non-zero value to the spine region since the algorithm cannot completely deny the presence of iodine in this region. The application of a neural network to material concentration maps obtained from a deep learning-based material decomposition is exemplary and in alternative embodiments of the invention, the neural network can be applied to reconstructed images using other methods such as filtered backprojection.

図11は、アンロール型反復物質分解法に基づくサイノグラム空間物質分解のためのニューラルネットワークを示す概略図である。この方法は、予め定義された反復回数の反復ノイズ除去法に基づくものであり、各反復における更新ステップがニューラルネットワークに置き換えられている。この例示的な実施形態では、勾配降下アルゴリズムがアンロールされ、各反復ステップで勾配が計算され、次のネットワークへの追加入力として取り込まれることを意味し、それによって、ノイズ除去の基礎となる物理学および統計モデルに関する情報がネットワークに提供される。 Figure 11 is a schematic diagram showing a neural network for sinogram space material decomposition based on an unrolled iterative material decomposition method. The method is based on an iterative denoising method with a predefined number of iterations, where the update step at each iteration is replaced by a neural network. In this exemplary embodiment, the gradient descent algorithm is unrolled, meaning that at each iteration step the gradient is calculated and taken as an additional input to the next network, thereby providing the network with information about the physics and statistical models underlying the denoising.

図12は、エネルギービンサイノグラムを入力とし、再構成された基底物質画像を生成するニューラルネットワークの一例を示す概略図である。例として、8つのエネルギービンサイノグラムを生成する検出器を使用することができ、これらは8つの入力チャネルとしてニューラルネットワークに供給される。この例では、3つの出力チャンネルが3つの基底画像(骨、軟組織、ヨウ素)に対応する。 Figure 12 is a schematic diagram showing an example of a neural network that takes energy bin sinograms as input and generates reconstructed basis material images. As an example, a detector that generates eight energy bin sinograms can be used, which are fed into the neural network as eight input channels. In this example, the three output channels correspond to the three basis images (bone, soft tissue, iodine).

図13は、エネルギービンサイノグラムを入力とし、ランダムドロップアウトに基づいて再構成された基底物質画像を生成する確率的ニューラルネットワークの一例を示す概略図である。ネットワークが入力サイノグラムのセットに適用されるたびに、ネットワークの重みのランダムな選択がランダムにゼロに設定され、ランダムなネットワーク出力を与える。 Figure 13 is a schematic diagram of an example of a probabilistic neural network that takes energy bin sinograms as input and generates reconstructed basis material images based on random dropout. Each time the network is applied to a set of input sinograms, a random selection of the network weights is randomly set to zero, giving a random network output.

図14は、エネルギービンサイノグラムを入力とし、加算ノイズの挿入に基づいて再構成された基底物質画像を生成する確率的ニューラルネットワークの一例を示す模式図である。ネットワークの各層のノードにノイズ値を付加することにより、出力される基底画像は入力されたビンサイノグラムのランダムな関数となる。このように、同じ入力画像にネットワークを複数回適用することにより、出力画像のランダムな分布を与えることができ、この分布が入力データが与えられた画像の事後分布と一致するようにネットワークを学習させることができる。 Figure 14 is a schematic diagram showing an example of a probabilistic neural network that takes an energy bin sinogram as input and generates basis material images reconstructed based on the insertion of additive noise. By adding noise values to the nodes of each layer of the network, the output basis images are random functions of the input bin sinograms. In this way, applying the network multiple times to the same input image can provide a random distribution of output images, and the network can be trained to match this distribution to the posterior distribution of images given the input data.

図15は、エネルギービンサイノグラムを入力とし、変分オートエンコーダに基づいて再構成基底物質画像を生成する確率的ニューラルネットワークの一例を示す概略図であり、エンコーダ、ランダム特徴生成部、デコーダから構成される。エンコーダは、エネルギービンサイノグラムを特徴平均ベクトルと分散ベクトルに変換する。これらのベクトルは、ランダム特徴ベクトルをランダムに生成するためのパラメータとして使用される。このベクトルは、例えば、エンコーダ部からの出力ベクトルによって与えられる平均と分散を持つ多変量正規分布からのサンプルとして選択することができる。このランダムな特徴ベクトルをデコーダネットワークの入力とし、骨、軟組織、ヨウ素基底画像を生成する。このように、変分オートエンコーダ全体は、入力サイノグラムを出力基底画像のセットにマッピングする確率的ニューラルネットワークとして機能し、これらの出力画像は決定論的ではなく、統計的分布からサンプリングされる。この分布が、入力データが与えられたときの画像の事後分布と一致するように、ネットワークを訓練することができる。 Figure 15 is a schematic diagram of an example of a probabilistic neural network that takes an energy bin sinogram as input and generates reconstructed basis material images based on a variational autoencoder. The network is composed of an encoder, a random feature generator, and a decoder. The encoder converts the energy bin sinogram into a feature mean vector and a variance vector. These vectors are used as parameters to randomly generate a random feature vector. This vector can be chosen, for example, as a sample from a multivariate normal distribution with the mean and variance given by the output vector from the encoder. This random feature vector is used as the input of the decoder network, which generates the bone, soft tissue, and iodine basis images. In this way, the entire variational autoencoder functions as a probabilistic neural network that maps the input sinogram to a set of output basis images, which are not deterministic but are sampled from a statistical distribution. The network can be trained so that this distribution matches the posterior distribution of the image given the input data.

深層ニューラルネットワークを使用したマッピングの不確実性の非限定的な例示的な機能には、以下のようなものがある。
a. ニューラルネットワークは、解の事後確率分布を近似するように学習する。
b. ニューラルネットワークはランダム関数として機能する。つまり、同じオブザベーション 「y」(ネットワーク入力)で、ネットワークはK個の異なる解(ネットワーク出力、X、X、...、X)を提供することができる。
・ベイジアンネットワークでは、これは例えばランダムドロップアウトによって達成される。
・変分エンコーダの後処理では、ランダムな潜在パラメータZが存在する。
・生成ネットワークでは、ランダムな入力パラメータZが存在する。
c.解の事後確率分布を学習するために、ニューラルネットワークの学習損失に統計的距離が使用される(KL発散、ワッサーシュタイン距離など)。
Non-limiting example features of mapping uncertainty using deep neural networks include:
a. The neural network is trained to approximate the posterior probability distribution of the solution.
b. The neural network acts as a random function, i.e. for the same observation "y" (network input), the network can provide K different solutions (network outputs, X 1 , X 2 , ..., X K ).
- In Bayesian networks, this is achieved by, for example, random dropout.
In the post-processing of the variational encoder, there is a random latent parameter Z.
In a generative network, there are random input parameters Z.
c. A statistical distance is used in the training loss of the neural network to learn the posterior probability distribution of the solution (KL divergence, Wasserstein distance, etc.).

第2の主要な態様によれば、コンピュータ断層撮影(CT)における深層学習画像再構成などの機械学習画像再構成のための信頼度表示を決定するための対応するシステムの非限定的な例が提供され、信頼度表示を決定するためのシステムは、エネルギー分解X線データを取得するように構成される。本システムはさらに、1つ以上のニューラルネットワークなどの少なくとも1つの機械学習システムに基づいてエネルギー分解X線データを処理して、少なくとも1つの再構成基底画像またはその画像特徴の事後確率分布の表現を得るように構成される。本システムはまた、前記事後確率分布の表現に基づいて、前記少なくとも1つの再構成画像、又は前記少なくとも1つの再構成基底画像に由来する少なくとも1つの派生画像、又は前記少なくとも1つの再構成基底画像又は前記少なくとも1つの派生画像の画像特徴に対する1つ又は複数の信頼度表示を生成するように構成される。 According to a second main aspect, a non-limiting example of a corresponding system for determining a confidence indication for machine learning image reconstruction, such as deep learning image reconstruction in computed tomography (CT), is provided, where the system for determining the confidence indication is configured to acquire energy-resolved X-ray data. The system is further configured to process the energy-resolved X-ray data based on at least one machine learning system, such as one or more neural networks, to obtain a representation of a posterior probability distribution of at least one reconstructed basis image or image features thereof. The system is also configured to generate one or more confidence indications for the at least one reconstructed image, or at least one derived image derived from the at least one reconstructed basis image, or image features of the at least one reconstructed basis image or the at least one derived image, based on the representation of the posterior probability distribution.

前述のように、機械学習画像再構成は、例えば、深層学習画像再構成であってもよく、前記少なくとも1つの機械学習システムは、少なくとも1つのニューラルネットワークを含んでもよい。 As previously mentioned, the machine learning image reconstruction may be, for example, deep learning image reconstruction, and the at least one machine learning system may include at least one neural network.

一例として、1つ又は複数の信頼度表示は、前記少なくとも1つの再構成基底画像における少なくとも1つの点についての誤差推定値又は統計的不確実性の尺度、及び/又は前記少なくとも1つの再構成基底画像から導出可能な少なくとも1つの画像測定値についての誤差推定値又は統計的不確実性の尺度を含み得る。 As an example, the one or more confidence indications may include an error estimate or a measure of statistical uncertainty for at least one point in the at least one reconstructed basis image, and/or an error estimate or a measure of statistical uncertainty for at least one image measurement derivable from the at least one reconstructed basis image.

任意選択で、本システムは、前記少なくとも1つの再構成基底画像、又は前記少なくとも1つの再構成基底画像に由来する少なくとも1つの派生画像、又はその画像特徴について、1つ又は複数の不確実性マップの形態で前記1つ又は複数の信頼度表示を生成するように構成され得る、 Optionally, the system may be configured to generate the one or more confidence indications in the form of one or more uncertainty maps for the at least one reconstructed basis image, or at least one derived image derived from the at least one reconstructed basis image, or image features thereof,

特定の実施例では、本システムは、コンピュータ断層撮影(CT)用の再構成された物質選択X線画像に対する信頼性マップの形態で、前記1つ以上の信頼度表示を生成するように構成され得る。 In certain embodiments, the system may be configured to generate the one or more reliability indications in the form of a reliability map for a reconstructed material-selected X-ray image for computed tomography (CT).

一例として、本システムは、前記少なくとも1つの再構成基底画像又はその画像特徴を生成するために、入力としてのエネルギービンサイノグラムに基づいて、物質分解に基づく画像再構成及び/又は機械学習による画像再構成を実行するように更に構成される。 As an example, the system is further configured to perform material decomposition based image reconstruction and/or machine learning image reconstruction based on an energy bin sinogram as input to generate the at least one reconstructed basis image or image features thereof.

任意選択で、システムは、前記機械学習画像再構成が閾値以上の信頼度で判定できた再構成された物質選択X線画像の部分を強調するように信頼性マップを生成するように構成され得る。 Optionally, the system may be configured to generate a confidence map to highlight portions of the reconstructed material-selected X-ray image where the machine learning image reconstruction was able to determine with a confidence level above a threshold.

補完的な態様によれば、スペクトルCTにおける深層学習画像再構成のような機械学習画像再構成のための不確定性マップを生成するための対応するシステムの非限定的な例が提供される。不確定性マップを生成するためのシステムは、エネルギー分解X線データを取得するように構成される。本システムは更に、少なくとも1つの基底画像又はその画像特徴の事後確率分布の表現が得られるように、1つ以上のニューラルネットワーク等の少なくとも1つの機械学習システムに基づいて前記エネルギー分解X線データを処理するように構成される。また、前記システムは、前記事後確率分布の表現に基づいて、少なくとも1つの再構成画像、又は派生画像、又はその画像特徴に対する1つ以上の不確定性マップを生成するように構成される。 According to a complementary aspect, a non-limiting example of a corresponding system for generating an uncertainty map for machine learning image reconstruction, such as deep learning image reconstruction in spectral CT, is provided. The system for generating an uncertainty map is configured to acquire energy-resolved X-ray data. The system is further configured to process the energy-resolved X-ray data based on at least one machine learning system, such as one or more neural networks, to obtain a representation of a posterior probability distribution of at least one basis image or image feature thereof. The system is also configured to generate one or more uncertainty maps for at least one reconstructed image, or derived image, or image feature thereof, based on the representation of the posterior probability distribution.

追加の態様によれば、信頼度表示を決定するためのこのようなシステム、および/または、深層学習画像再構成のための不確実性マップを生成するためのこのようなシステムを含む、対応する画像再構成システムが提供される。 According to additional aspects, there is provided a corresponding image reconstruction system including such a system for determining a confidence indication and/or such a system for generating an uncertainty map for deep learning image reconstruction.

別の態様によれば、このような画像再構成システムを含む全体的なX線撮像システムが提供される。 According to another aspect, an overall X-ray imaging system is provided that includes such an image reconstruction system.

さらに別の側面によれば、対応するコンピュータプログラムおよびコンピュータプログラム製品が提供される。 According to yet another aspect, a corresponding computer program and computer program product are provided.

本発明の例示的な実施形態では、エネルギー分解X線(画像)データを取得又は入手するステップ又は構成は、CT撮像システムによって行われる。 In an exemplary embodiment of the present invention, the step or configuration of acquiring or obtaining energy resolved x-ray (image) data is performed by a CT imaging system.

本発明の例示的な実施形態では、エネルギー分解X線(画像)データを取得または入手するステップまたは構成は、マルチビン光子計数X線検出器とも呼ばれるエネルギー分解光子計数検出器によって行われる。 In an exemplary embodiment of the present invention, the step or configuration of acquiring or obtaining energy resolved X-ray (image) data is performed by an energy resolved photon counting detector, also referred to as a multi-bin photon counting X-ray detector.

あるいは、エネルギー分解X線(画像)データを取得するステップまたは構成は、マルチX線管取得、低速または高速kVスイッチング取得、マルチレイヤー検出器またはスプリットフィルタ取得によって行われる。 Alternatively, the step or configuration of acquiring energy resolved x-ray (image) data is performed by multi x-ray tube acquisition, slow or fast kV switching acquisition, multi-layer detector or split filter acquisition.

本発明の例示的な実施形態において、機械学習は、畳み込みニューラルネットワークに基づくことができる機械学習アーキテクチャおよび/またはアルゴリズムを含む。あるいは、前記機械学習アーキテクチャおよび/またはアルゴリズムは、サポートベクターマシンまたは決定木ベースの方法に基づいてもよい。 In an exemplary embodiment of the present invention, the machine learning includes a machine learning architecture and/or algorithm that may be based on a convolutional neural network. Alternatively, the machine learning architecture and/or algorithm may be based on a support vector machine or a decision tree-based method.

本発明の例示的な実施形態では、畳み込みニューラルネットワークは、残差ネットワーク(ResNet)、残差エンコーダ-デコーダ、U-Net、AlexNet、またはLeNetアーキテクチャに基づいてもよい。 あるいは、畳み込みニューラルネットワークに基づく機械学習アルゴリズムは、勾配降下アルゴリズム、原始-双対アルゴリズム、または交互方向乗算法(ADMM)アルゴリズム(an unrolled optimization method based on gradient descent algorithm, a pri-mal-dual algorithm or an alternating direction method of multipliers (ADMM) algorithm)に基づくアンロール最適化法に基づいてもよい。 In an exemplary embodiment of the present invention, the convolutional neural network may be based on a residual network (ResNet), a residual encoder-decoder, a U-Net, an AlexNet, or a LeNet architecture. Alternatively, the machine learning algorithm based on the convolutional neural network may be based on an unrolled optimization method based on gradient descent algorithm, a pri-mal-dual algorithm or an alternating direction method of multipliers (ADMM) algorithm.

本発明の例示的な実施形態では、畳み込みニューラルネットワークは、ネットワークアーキテクチャの一部として、少なくとも1つの順投影または少なくとも1つの逆投影を含む。 In an exemplary embodiment of the present invention, the convolutional neural network includes at least one forward projection or at least one back projection as part of the network architecture.

より良く理解するために、次に提案技術の例示的かつ非限定的な例を説明する。 For better understanding, we now provide an illustrative and non-limiting example of the proposed technology.

一例として、例えば、異なる再構成基底画像のバイアス、分散及び/又は共分散の推定値を生成するために、別個の機械学習ベースの推定器を導入することによって、不確実性マップ又は信頼性マップのような信頼性表示を決定することが可能である。これらの推定値は、仮想単色画像や仮想非コントラスト画像などの派生画像の不確実性マップを生成するために伝搬される。 As an example, it is possible to determine a reliability indication, such as an uncertainty map or a confidence map, by introducing separate machine learning based estimators to generate estimates of, for example, the bias, variance and/or covariance of the different reconstruction basis images. These estimates are propagated to generate uncertainty maps of derived images, such as a virtual monochromatic image or a virtual non-contrast image.

これらのマップを生成するには、さまざまな方法がある。1つの方法は、再サンプリングされた訓練データセットに対してニューラルネットワークを訓練する、ブートストラッピングに基づくものである。例えば、入力と出力の訓練データを含む訓練サンプルのランダムなセットを、それぞれ置き換えてサンプリングし、ニューラルネットワークの訓練に使用することができる。この手順を繰り返すことにより、ニューラルネットワークの集合体(アンサンブル)を得ることができ、これらのネットワークの各々を使用して入力画像データを処理することにより、出力画像または出力画像データ表現の集合体を得ることができる。この出力画像の集合体内のばらつきまたは不確実性は、例えば、画像の分布にわたるピクセル単位の標準偏差として測定することができる。次に、第2のニューラルネットワークを訓練して、測定された画像データを、結果として得られる不確実性または結果として得られる画像値の分布にマッピングすることができる。しかし、計算負荷の少ない方法として、変分オートエンコーダがある。中間層でデータを低次元特徴空間にマッピングするこのニューラルネットワークアーキテクチャは、研究中の深層学習再構成法などの機械学習画像再構成手順の画像結果の事後確率分布をサンプリングするように訓練することができる。変分オートエンコーダの低次元中間潜在特徴量の事後確率分布は、エンコーダ関数から求めることができる。次に、デコーダを用いて、再構成画像の対応する事後確率分布を求めることができる。 There are various ways to generate these maps. One method is based on bootstrapping, where a neural network is trained on a resampled training data set. For example, a random set of training samples, including input and output training data, each sampled with replacement, can be used to train the neural network. By repeating this procedure, an ensemble of neural networks can be obtained, and each of these networks can be used to process the input image data to obtain an output image or an output image data representation. The variability or uncertainty in this ensemble of output images can be measured, for example, as a pixel-wise standard deviation over the distribution of images. A second neural network can then be trained to map the measured image data to the resulting uncertainty or resulting distribution of image values. However, a less computationally intensive method is the variational autoencoder. This neural network architecture, which maps data to a low-dimensional feature space in an intermediate layer, can be trained to sample the posterior probability distribution of the image results of a machine learning image reconstruction procedure, such as the deep learning reconstruction method under study. The posterior probability distribution of the low-dimensional intermediate latent features of the variational autoencoder can be obtained from the encoder function. The decoder can then be used to determine the corresponding posterior probability distribution for the reconstructed image.

確率分布を表現する1つの方法は、分布からモンテカルロサンプルとも呼ばれるランダムサンプルを提供することである。 One way to represent a probability distribution is to provide a random sample, also called a Monte Carlo sample, from the distribution.

確率分布の表現を得るために画像表現を処理する1つの方法は、確率的ニューラルネットワークを前記画像表現に適用することである。確率的ニューラルネットワークとは、確率分布が入力に依存するランダムな関数を出力とするような、ランダムな要素または構成要素を含むニューラルネットワークである。 One way to process an image representation to obtain a representation of a probability distribution is to apply a probabilistic neural network to the image representation. A probabilistic neural network is a neural network that contains random elements or components, such that the output of the probability distribution is a random function that depends on the input.

例として、前記確率ニューラルネットワークは、確率分布の1つ以上のモンテカルロ標本を提供することができる。 By way of example, the probabilistic neural network can provide one or more Monte Carlo samples of a probability distribution.

別の例示的な実施形態では、決定論的ニューラルネットワークを訓練して、例えば画像または画像特徴などの事後確率変数の確率分布の尺度(a measure of the probability distribution of a posterior random variable)を提供することができる。 In another exemplary embodiment, a deterministic neural network can be trained to provide a measure of the probability distribution of a posterior random variable, e.g., an image or an image feature.

例えば、事後確率変数の確率分布の前記尺度は、平均分散、共分散、標準偏差、歪度、尖度(a posterior random variable can be a mean variance, a covariance, a standard deviation, a skewness, a kurtosis)、またはこれらの組み合わせであり得る。 For example, the measure of the probability distribution of a posterior random variable can be a mean variance, a covariance, a standard deviation, a skewness, a kurtosis, or a combination of these.

例えば、モンテカルロ推定量、マルコフ連鎖モンテカルロ推定量、ブートストラップ推定量または確率的ニューラルネットワーク推定量(a Monte Carlo estimator, a Markov Chain Monte Carlo estimator, a bootstrap estimator or a stochastic neural network estimator)などの画像の不確実性または事後確率分布の統計的推定量を最初に作成し、その後、事後確率分布の1つまたは複数の尺度を予測する決定論的ニューラルネットワークを訓練するための訓練データを生成するために使用することができる。 For example, a statistical estimator of the image uncertainty or posterior probability distribution, such as a Monte Carlo estimator, a Markov Chain Monte Carlo estimator, a bootstrap estimator or a stochastic neural network estimator, can be first created and then used to generate training data for training a deterministic neural network that predicts one or more measures of the posterior probability distribution.

一例として、前記基底画像は、水、軟組織、カルシウム、ヨウ素、ガドリニウムまたは金などの物理的物質の密度のマップとすることができる。また、基底画像は、例えば、コンプトン散乱断面積、光電吸収断面積、密度または有効原子番号のマップ(a map of the Compton scatter cross-section, photoelectric absorption cross-section, density or effective atomic number)のような物理的特性を表す架空のまたは仮想の物質のマップとすることもできる。 By way of example, the basis image may be a map of the density of a physical material, such as water, soft tissue, calcium, iodine, gadolinium, or gold. The basis image may also be a map of a fictitious or hypothetical material that represents a physical property, such as a map of the Compton scatter cross-section, photoelectric absorption cross-section, density or effective atomic number.

例えば、前記信頼度表示は、1つ以上の再構成画像における少なくとも1つの点についての誤差推定値又は統計的不確実性の尺度であることができる。また、前記信頼度表示は、少なくとも1つの画像から導出可能な少なくとも1つの画像測定値に対する誤差推定値又は統計的不確実性の尺度であることもできる。 For example, the confidence indication can be an error estimate or a measure of statistical uncertainty for at least one point in one or more reconstructed images. The confidence indication can also be an error estimate or a measure of statistical uncertainty for at least one image measurement derivable from at least one image.

例えば、誤差推定値や統計的不確実性の尺度は、誤差の上限、誤差の塔界、標準偏差、分散、平均絶対誤差とすることができる。 For example, error estimates or measures of statistical uncertainty can be upper error limits, error bounds, standard deviations, variances, or mean absolute error.

例えば、少なくとも1つの画像から導出できる画像測定は、特徴の寸法測定、面積、体積、不均一性の程度、形状または不規則性の測定、組成の測定、または物質の濃度の測定とすることができる。 For example, an image measurement that can be derived from at least one image can be a measurement of a feature's size, area, volume, degree of non-uniformity, shape or irregularity, a measurement of composition, or a measurement of a substance's concentration.

例えば、少なくとも1つの画像から導出できる画像測定は、放射線医学的特徴、例えば標準化された放射線医学的特徴とすることができる。 For example, the image measurement that can be derived from at least one image can be a radiology feature, such as a standardized radiology feature.

本発明の例示的な実施形態では、エネルギー分解X線データの処理は、少なくとも1つの基底サイノグラムまたは再構成基底画像を形成することと、ニューラルネットワークに基づいて前記画像を処理することとを含む。 In an exemplary embodiment of the present invention, processing the energy resolved x-ray data includes forming at least one basis sinogram or reconstructed basis image and processing said image based on a neural network.

例えば、ニューラルネットワークは畳み込みニューラルネットワークとすることができる。 For example, the neural network can be a convolutional neural network.

例えば、訓練データへの適合に十分な柔軟性を持たせるために、ニューラルネットワークは少なくとも5つの層を持つ深層ニューラルネットワークとすることができる。 For example, the neural network can be a deep neural network with at least five layers to allow sufficient flexibility in adapting to the training data.

一例として、誤差マップを推定する方法には、マルコフ連鎖モンテカルロ法や変分ドロップアウトに基づく近似ベイズ推定法が含まれる。 Example methods for estimating error maps include Markov chain Monte Carlo methods and approximate Bayesian estimation methods based on variational dropout.

Tannoらによる論文「Uncertainty modelling in deep learning for safer neuroimage enhancement:Demonstration in diffusion MRI」 Neuroimage 225, October 9, 2020は、拡散磁気共鳴画像強調のための不確実性マップを生成するための変分ドロップアウトを用いたベイジアンニューラルネットワークを用いた方法に関するものである。 The paper by Tanno et al., "Uncertainty modelling in deep learning for safer neuroimage enhancement: Demonstration in diffusion MRI," Neuroimage 225, October 9, 2020, is about a method using Bayesian neural networks with variational dropout to generate uncertainty maps for diffusion magnetic resonance image enhancement.

Edupugantiらによる論文「Uncertainty Quantification in Deep MRI Reconstruction」、IEEE Transactions on Medical Imaging、第40巻、第1号、2021年1月は、アンダーサンプリングされたデータからの磁気共鳴画像(MRI)再構成のために、結果の事後サンプルを生成し、それらを用いて不確実性マップを構築する後処理ステップとして変分オートエンコーダを使用する方法に関する。しかし、著者らは、深層学習なしで計算される前処理された再構成を必要としており、さらにMRIに関連している。 The paper "Uncertainty Quantification in Deep MRI Reconstruction" by Edupuganti et al., IEEE Transactions on Medical Imaging, Vol. 40, No. 1, January 2021, describes a method to use a variational autoencoder as a post-processing step to generate resulting posterior samples and use them to build an uncertainty map for magnetic resonance image (MRI) reconstruction from undersampled data. However, the authors require a preprocessed reconstruction that is computed without deep learning, and is further related to MRI.

Adler and Oktemによる論文「Deep posterior sampling:Uncertainty quantification for large scale inverse problems」Medical Imaging with Deep Learning 2019は、結果の事後確率分布をサンプリングする後処理の生成ニューラルネットワークを考慮した、X線コンピュータ断層撮影画像の不確実性を定量化する方法に関するものである。しかし、著者らは前処理された再構成を必要としており、この論文は特定の物質密度マップの誤差を定量化する方法を開示していない。この論文はさらにMRIに関するものである。 The paper "Deep posterior sampling: Uncertainty quantification for large scale inverse problems" by Adler and Oktem, Medical Imaging with Deep Learning 2019, is about a method to quantify the uncertainty in X-ray computed tomography images, considering a post-processing generative neural network that samples the posterior probability distribution of the results. However, the authors require pre-processed reconstructions, and the paper does not disclose how to quantify the error of a specific material density map. The paper is more about MRI.

US20200294284A1明細書は、再構成画像に関する不確かさ情報を生成する方法に関するものである。しかし、この論文は、特定の物質密度マップの誤差を定量化する方法を開示しておらず、エネルギー分解データを全く用いずにエネルギー積分CTを考慮している。このことはさらに、基底画像を生成するために物質基底分解を効果的に行うことができないことを意味する。 The US20200294284A1 specification is directed to a method for generating uncertainty information for a reconstructed image. However, the paper does not disclose a method for quantifying the error of a specific material density map and considers energy-integrated CT without any energy resolved data. This further means that a material basis decomposition cannot be effectively performed to generate a basis image.

このアプリケーションのアプローチは、主にマルチエネルギーおよびマルチマテリアルの結果を持つエネルギー分解(スペクトル)CTを考慮したものである。 The approach in this application primarily considers energy-resolved (spectral) CT with multi-energy and multi-material results.

例えば、光子計数CTは高次元問題を意味し、適切なスケーリングが要求され、クロスマテリアルとクロスエネルギー情報が事後サンプリングに影響を与える。 For example, photon-counting CT implies a high-dimensional problem, requiring appropriate scaling, and cross-material and cross-energy information influences posterior sampling.

上記の3つの記事は、後処理のニューラルネットワークに基づいており、深層学習で再構成問題を解決していない。 The above three articles are based on post-processing neural networks and do not solve the reconstruction problem with deep learning.

提案された技術により、基底画像再構成と不確実性マッピングを深層学習などの機械学習で解決することができる。 The proposed technique allows basis image reconstruction and uncertainty mapping to be solved using machine learning techniques such as deep learning.

本明細書で説明する機構や配置は、さまざまな方法で実施、組み合わせ、再配置できることが理解されよう。 It will be appreciated that the features and arrangements described herein can be implemented, combined, and rearranged in various ways.

例えば、実施形態は、ハードウェアで実装されてもよいし、適切な処理回路による実行のために少なくとも一部がソフトウェアで実装されてもよいし、それらの組み合わせでもよい。 For example, the embodiments may be implemented in hardware, or at least partially in software for execution by suitable processing circuitry, or a combination thereof.

本明細書で説明するステップ、機能、手順、および/またはブロックは、ディスクリート回路や集積回路技術など、汎用電子回路と特定用途向け回路の両方を含む従来技術を使用してハードウェアに実装することができる。 The steps, functions, procedures, and/or blocks described herein may be implemented in hardware using conventional techniques, including both general purpose electronic circuitry and application specific circuitry, such as discrete or integrated circuit technology.

代替的に、または補完として、本明細書に記載されるステップ、機能、手順、および/またはブロックの少なくとも一部は、1つまたは複数のプロセッサまたは処理ユニットなどの適切な処理回路による実行のために、コンピュータプログラムなどのソフトウェアに実装されてもよい。 Alternatively, or as a complement, at least some of the steps, functions, procedures and/or blocks described herein may be implemented in software, such as a computer program, for execution by suitable processing circuitry, such as one or more processors or processing units.

これは例えば、コンピュータベースの画像再構成システムの一部として実装することができる。 This can be implemented, for example, as part of a computer-based image reconstruction system.

図16は、実施形態によるコンピュータ実装の一例を示す概略図である。この特定の例では、システム200は、プロセッサ210とメモリ220とを備え、メモリは、プロセッサによって実行可能な命令を含み、それによって、プロセッサは、本明細書で説明するステップおよび/またはアクションを実行するように動作可能である。命令は、典型的には、コンピュータプログラム225、235として構成され、メモリ220に予め構成されていてもよいし、外部メモリデバイス230からダウンロードされていてもよい。任意選択で、システム200は、入力パラメータおよび/または結果出力パラメータなどの関連データの入力および/または出力を可能にするために、1以上のプロセッサ210および/またはメモリ220に相互接続され得る入出力インターフェース240を備える。 16 is a schematic diagram illustrating an example of a computer implementation according to an embodiment. In this particular example, the system 200 comprises a processor 210 and a memory 220, the memory including instructions executable by the processor, such that the processor is operable to perform the steps and/or actions described herein. The instructions are typically configured as computer programs 225, 235 and may be preconfigured in the memory 220 or downloaded from an external memory device 230. Optionally, the system 200 comprises an input/output interface 240 that may be interconnected to one or more processors 210 and/or memory 220 to allow input and/or output of relevant data, such as input parameters and/or result output parameters.

特定の実施例では、メモリは、プロセッサによって実行可能な命令のそのようなセットを含み、それによって、プロセッサは、CT撮像における深層学習に基づく画像再構成のための不確実性マップのような信頼性表示を生成するように動作可能である。 In certain embodiments, the memory includes such a set of instructions executable by the processor, whereby the processor is operable to generate a confidence representation, such as an uncertainty map, for deep learning based image reconstruction in CT imaging.

「プロセッサ」という用語は、特定の処理、決定、または計算タスクを実行するために、プログラムコードまたはコンピュータプログラム命令を実行することができるあらゆるシステムまたは装置として、一般的な意味で解釈されるべきである。 The term "processor" should be interpreted in a general sense as any system or device capable of executing program code or computer program instructions to perform a particular processing, decision-making, or computational task.

このように、1つ以上のプロセッサを含む処理回路は、コンピュータプログラムの実行時に、本明細書で説明するような明確に定義された処理タスクを実行するように構成される。 Thus, a processing circuit including one or more processors is configured, upon execution of a computer program, to perform well-defined processing tasks as described herein.

処理回路は、上述のステップ、関数、手順および/またはブロックの実行のみに特化する必要はなく、他のタスクを実行してもよい。 The processing circuitry need not be specialized solely to perform the steps, functions, procedures and/or blocks described above, but may perform other tasks.

また、本技術は、このようなコンピュータプログラムを格納したコンピュータ読み取り可能な媒体220、230を含むコンピュータプログラム製品も提供する。 The present technology also provides a computer program product including a computer-readable medium 220, 230 having such a computer program stored thereon.

一例として、ソフトウェアまたはコンピュータプログラム225、235は、コンピュータプログラム製品として実現することができ、通常、コンピュータ読み取り可能媒体220、230、特に不揮発性媒体に搬送または格納される。コンピュータ読取可能媒体は、読取専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、コンパクトディスク(CD)、デジタルバーサタイルディスク(DVD)、ブルーレイディスク、ユニバーサルシリアルバス(USB)メモリ、ハードディスクドライブ(HDD)記憶装置、フラッシュメモリ、磁気テープ、または他の任意の従来のメモリデバイスを含むがこれらに限定されない、1つまたは複数の取外し可能または取外し不可能なメモリデバイスを含むことができる。したがって、コンピュータプログラムは、その処理回路による実行のために、コンピュータまたは同等の処理デバイスのオペレーティングメモリにロードすることができる。 As an example, the software or computer program 225, 235 can be realized as a computer program product, typically carried or stored on a computer-readable medium 220, 230, particularly a non-volatile medium. The computer-readable medium can include one or more removable or non-removable memory devices, including but not limited to read-only memory (ROM), random access memory (RAM), compact discs (CDs), digital versatile discs (DVDs), Blu-ray discs, universal serial bus (USB) memory, hard disk drive (HDD) storage, flash memory, magnetic tape, or any other conventional memory device. Thus, the computer program can be loaded into the operating memory of a computer or equivalent processing device for execution by its processing circuitry.

処理フローは、1つ以上のプロセッサによって実行される場合、コンピュータクションフローとみなすことができる。対応するデバイス、システム及び/又は装置は、機能モジュールのグループとして定義することができ、プロセッサによって実行される各ステップは、機能モジュールに対応する。この場合、機能モジュールは、プロセッサ上で実行されるコンピュータプログラムとして実装される。したがって、デバイス、システム、および/または装置は、代替的に、機能モジュールのグループとして定義されてもよく、機能モジュールは、少なくとも1つのプロセッサ上で実行されるコンピュータプログラムとして実装される。 A process flow can be considered as a computation flow when it is executed by one or more processors. The corresponding device, system and/or apparatus can be defined as a group of functional modules, where each step executed by the processor corresponds to a functional module. In this case, the functional modules are implemented as computer programs executed on the processor. Thus, the device, system and/or apparatus may alternatively be defined as a group of functional modules, where the functional modules are implemented as computer programs executed on at least one processor.

したがって、メモリに常駐するコンピュータプログラムは、プロセッサによって実行されたときに、本明細書に記載のステップおよび/またはタスクの少なくとも一部を実行するように構成された適切な機能モジュールとして編成することができる。 Thus, the computer programs resident in the memory can be organized as suitable functional modules configured to perform at least some of the steps and/or tasks described herein when executed by the processor.

あるいは、モジュールの大部分をハードウェアモジュールで実現することも、ハードウェアで代替することも可能である。ソフトウェアかハードウェアかは、純粋に実装の選択である。 Alternatively, most of the modules can be implemented as hardware modules or can be replaced by hardware. Software or hardware is purely an implementation choice.

10:X線源 11:ガントリ 12:テーブル 13:アイソセンタ 15:CT 20:X線検出器システム 21:検出器要素 25:アナログ処理回路 30:画像処理システム又は装置 35:画像処理システム 40:デジタル処理回路 41:X線制御装置 42:ガントリ制御装置 43:テーブル制御装置 44:検出器コントローラ 45:メモリ 50:コンピュータ 60:オペレータコンソール 100:X線撮像システム 200:システム 210:プロセッサ 220:メモリ 225、235:コンピュータプログラム 230:外部メモリデバイス 240:入出力インターフェース 301:デジタル-アナログ変換器 302:比較器 303:デジタルカウンタ 10: X-ray source 11: Gantry 12: Table 13: Isocenter 15: CT 20: X-ray detector system 21: Detector element 25: Analog processing circuit 30: Image processing system or device 35: Image processing system 40: Digital processing circuit 41: X-ray control device 42: Gantry control device 43: Table control device 44: Detector controller 45: Memory 50: Computer 60: Operator console 100: X-ray imaging system 200: System 210: Processor 220: Memory 225, 235: Computer program 230: External memory device 240: Input/output interface 301: Digital-to-analog converter 302: Comparator 303: Digital counter

Claims (30)

コンピュータ断層撮影(CT)における機械学習画像再構成のための1つ以上の信頼度表示を決定する方法であって、
エネルギー分解X線データを取得するステップ(S1)と、
少なくとも1つの機械学習システムに基づいて前記エネルギー分解X線データを処理して、少なくとも1つの再構成基底画像またはその画像特徴の事後確率分布の表現を生成するステップ(S2、S2b)と、
(1)前記少なくとも1つの再構成基底画像、または(2)前記少なくとも1つの再構成基底画像に由来する少なくとも1つの派生画像、または(3)前記少なくとも1つの再構成基底画像か前記少なくとも1つの派生画像の画像特徴に対する1つまたは複数の信頼度表示を、事後確率分布の前記表現に基づいて生成するステップ(S3)と、を含む方法。
1. A method for determining one or more confidence indications for machine learning image reconstruction in computed tomography (CT), comprising:
acquiring energy resolved X-ray data (S1);
- processing the energy resolved X-ray data based on at least one machine learning system to generate at least one reconstructed basis image or a representation of a posterior probability distribution of image features (S2, S2b);
and (S3) generating one or more confidence indications for image features of the at least one reconstructed base image or the at least one derived image based on the representation of the posterior probability distribution.
前記機械学習画像再構成が深層学習画像再構成であり、前記少なくとも1つの機械学習システムが少なくとも1つのニューラルネットワークを含む、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the machine learning image reconstruction is deep learning image reconstruction and the at least one machine learning system includes at least one neural network. 前記事後確率分布の表現は、平均分散、共分散、標準偏差、歪度、および尖度のうちの少なくとも1つを含む、請求項1または2に記載の方法。 The method of claim 1 or 2, wherein the representation of the posterior probability distribution includes at least one of the mean, variance, covariance, standard deviation, skewness, and kurtosis. 前記1つ以上の信頼度表示が、前記少なくとも1つの再構成基底画像内の少なくとも1つの点に対する誤差推定値又は統計的不確実性の尺度、及び/又は前記少なくとも1つの再構成基底画像から導出可能な少なくとも1つの画像測定値に対する誤差推定値又は統計的不確実性の尺度を含む、請求項1乃至3のいずれかに記載の方法。 A method according to any one of claims 1 to 3, wherein the one or more confidence indications comprise an error estimate or a measure of statistical uncertainty for at least one point in the at least one reconstructed basis image and/or an error estimate or a measure of statistical uncertainty for at least one image measurement derivable from the at least one reconstructed basis image. 前記誤差推定値または統計的不確実性の尺度は、誤差の上限、誤差の下限、標準偏差、分散、または平均絶対誤差のうちの少なくとも1つを含む、請求項4に記載の方法。 The method of claim 4, wherein the error estimate or statistical uncertainty measure comprises at least one of an upper error limit, a lower error limit, a standard deviation, a variance, or a mean absolute error. 前記少なくとも1つの画像測定値が、特徴の寸法測定、面積測定、体積測定、不均一性の程度測定値、形状または不規則性の測定値、組成の測定値、および物質の濃度の測定値から選択される少なくとも1つを含む、請求項4または5に記載の方法。 The method of claim 4 or 5, wherein the at least one image measurement comprises at least one selected from a feature dimension measurement, an area measurement, a volume measurement, a degree of non-uniformity measurement, a shape or irregularity measurement, a composition measurement, and a substance concentration measurement. 前記1つまたは複数の信頼度表示が、前記少なくとも1つの再構成基底画像、または前記少なくとも1つの再構成基底画像に由来する少なくとも1つの派生画像、またはその画像特徴についての1つまたは複数の不確実性マップを含む、請求項1乃至6のいずれかに記載の方法。 The method of any of claims 1 to 6, wherein the one or more confidence indications include one or more uncertainty maps for the at least one reconstructed basis image, or at least one derived image derived from the at least one reconstructed basis image, or image features thereof. 1つまたは複数の信頼度表示を生成する前記ステップ(S3)は、コンピュータ断層撮影(CT)用の再構成された物質選択X線画像の信頼性マップを生成するステップを含む、請求項1乃至7のいずれかに記載の方法。 8. The method of claim 1, wherein the step (S3) of generating one or more confidence indications includes generating a confidence map of a reconstructed material-selected X-ray image for computed tomography (CT). 前記信頼性マップは、前記機械学習画像再構成が所定の閾値以上の信頼度で判定できた再構成された物質選択X線画像の部分を強調するように生成される、請求項8に記載の方法。 The method of claim 8, wherein the confidence map is generated to highlight portions of the reconstructed material-selected x-ray image where the machine learning image reconstruction was able to determine with a confidence level equal to or greater than a predetermined threshold. 1つまたは複数の信頼度表示を生成する前記ステップ(S3)は、深層学習に基づく物質分解から得られた物質濃度マップを入力とするニューラルネットワークによって、1つまたは複数の信頼性マップを生成するステップを含む、請求項1乃至9のいずれかに記載の方法。 A method according to any one of claims 1 to 9, wherein the step (S3) of generating one or more confidence indications comprises a step of generating one or more confidence maps by a neural network that receives as input a material concentration map obtained from a deep learning-based material decomposition. 前記方法は、取得されたエネルギー分解X線データに基づいて前記少なくとも1つの再構成基底画像またはその画像特徴を生成するために(S2a)物質分解に基づく画像再構成および/または機械学習画像再構成を実行するステップをさらに含む、請求項1乃至10のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 10, further comprising (S2a) performing material decomposition-based image reconstruction and/or machine learning image reconstruction to generate the at least one reconstructed basis image or image features thereof based on the acquired energy-resolved X-ray data. 物質分解に基づく画像再構成および/または機械学習画像再構成を実行する前記ステップ(S2a)は、エネルギービンサイノグラムを入力として受け取るニューラルネットワークによって、前記少なくとも1つの再構成基底画像または画像特徴を生成するステップを含む、請求項11に記載の方法。 The method of claim 11, wherein the step (S2a) of performing material decomposition based image reconstruction and/or machine learning image reconstruction comprises a step of generating the at least one reconstructed basis image or image feature by a neural network receiving an energy bin sinogram as input. 前記1つまたは複数の信頼度表示を生成する前記ステップ(S3)は、個々の基底物質画像の不確かさ又は信頼性マップを決定するとともに、異なる基底物質画像間の共分散を決定するステップと、前記不確かさまたは前記信頼性マップを、前記不確かさの伝播のための式またはアルゴリズムを用いて伝播させ、導出画像の不確実性マップを得ることを可能にするステップとを含む、請求項1乃至12のいずれかに記載の方法。 A method according to any of claims 1 to 12, wherein the step (S3) of generating the one or more confidence indications comprises a step of determining an uncertainty or confidence map of each individual basis material image and a step of determining a covariance between different basis material images, and a step of propagating the uncertainty or the confidence map using a formula or algorithm for the propagation of the uncertainty, making it possible to obtain an uncertainty map of a derived image. 少なくとも1つの基底物質画像が少なくとも1つの不確実性マップと共に生成され、前記不確実性マップが前記少なくとも1つの基底物質画像の不確かさまたは誤差推定値の表現であり、前記少なくとも1つの基底物質画像と前記少なくとも1つの不確定性マップは、別個の画像として又は組み合わせてユーザに提示可能である請求項1乃至13のいずれかに記載の方法。 A method according to any one of claims 1 to 13, in which at least one basis material image is generated together with at least one uncertainty map, the uncertainty map being a representation of an uncertainty or error estimate of the at least one basis material image, and the at least one basis material image and the at least one uncertainty map being presentable to a user as separate images or in combination. 前記少なくとも1つの不確定性マップが、前記少なくとも1つの基底物質画像に対するオーバーレイとして提示可能であるか、または前記少なくとも1つの不確定性マップが、前記少なくとも1つの基底物質画像に対する歪曲フィルタによって提示可能である、請求項13または14に記載の方法。 The method of claim 13 or 14, wherein the at least one uncertainty map can be presented as an overlay on the at least one basis material image, or the at least one uncertainty map can be presented by a distortion filter on the at least one basis material image. 少なくとも1つの機械学習システムに基づいて前記エネルギー分解X線データを処理して事後確率分布の表現を生成する前記ステップ(S2;S2b)が、ニューラルネットワークによって、取得されたエネルギー分解X線データが与えられた事後確率分布のサンプルを生成するステップとを含み、1つまたは複数の信頼度表示を生成する前記ステップ(S3)は、複数のサンプルにわたる標準偏差として不確実性マップを生成するステップを含む、請求項1乃至15のいずれかに記載の方法。 16. The method of any of claims 1 to 15, wherein the step (S2; S2b) of processing the energy resolved X-ray data based on at least one machine learning system to generate a representation of a posterior probability distribution comprises: generating samples of the posterior probability distribution given the acquired energy resolved X-ray data by a neural network; and the step (S3) of generating one or more confidence indications comprises generating an uncertainty map as a standard deviation over a number of samples. 事後確率分布の表現を生成するために少なくとも1つの機械学習システムに基づいて前記エネルギー分解X線データを処理する前記ステップ(S2;S2b)は、変分オートエンコーダとして実装されたニューラルネットワークを適用して、入力データベクトルを潜在的確率変数の確率分布のパラメータにエンコードするステップと、事後観測値を得るために対応するデコーダによって処理するためにこの確率分布から潜在的確率変数の事後サンプルの集合を抽出するステップとを含む、請求項1乃至16のいずれかに記載の方法。 A method according to any of claims 1 to 16, wherein the step (S2; S2b) of processing the energy-resolved X-ray data based on at least one machine learning system to generate a representation of a posterior probability distribution comprises applying a neural network implemented as a variational autoencoder to encode input data vectors into parameters of a probability distribution of latent random variables, and extracting a set of posterior samples of the latent random variables from this probability distribution for processing by a corresponding decoder to obtain posterior observations. 前記1つまたは複数の信頼度表示を生成する(S3)ステップは、前記少なくとも1つの再構成基底画像に関連する少なくとも1つの基底係数の分散または標準偏差の少なくとも1つのマップ、および/または前記少なくとも1つの再構成基底画像に関連する少なくとも1つの基底関数の組の共分散または相関係数の少なくとも1つのマップを生成するステップを含む、請求項1乃至17のいずれかに記載の方法。 A method according to any one of claims 1 to 17, wherein the step of generating (S3) the one or more confidence indications comprises the step of generating at least one map of variance or standard deviation of at least one basis coefficient associated with the at least one reconstructed basis image and/or at least one map of covariance or correlation coefficients of a set of at least one basis function associated with the at least one reconstructed basis image. 前記事後確率分布の表現は、複数の画像特徴の平均および分散によって指定される、請求項1乃至18のいずれかに記載の方法。 A method according to any one of claims 1 to 18, wherein the representation of the posterior probability distribution is specified by the mean and variance of multiple image features. コンピュータ断層撮影(CT)における機械学習画像再構成のための1つ以上の信頼度表示を決定するためのシステム(30、40、50、200)であって、前記システムは、エネルギー分解X線データを取得するように構成され、前記システムは、少なくとも1つの機械学習システムに基づいて前記エネルギー分解X線データを処理して、少なくとも1つの再構成基底画像またはその画像特徴の事後確率分布の表現を取得するようにさらに構成され、前記システムはまた、事後確率分布の前記表現に基づいて、前記少なくとも1つの再構成基底画像、または前記少なくとも1つの再構成基底画像に由来する少なくとも1つの派生画像、または前記少なくとも1つの再構成基底画像または前記少なくとも1つの派生画像の画像特徴に対する1つまたは複数の信頼度表示を生成するように構成される、システム(30、40、50、200)。 A system (30, 40, 50, 200) for determining one or more confidence indications for machine learning image reconstruction in computed tomography (CT), the system being configured to acquire energy resolved X-ray data, the system being further configured to process the energy resolved X-ray data based on at least one machine learning system to acquire a representation of a posterior probability distribution of at least one reconstructed basis image or image features thereof, the system also being configured to generate one or more confidence indications for the at least one reconstructed basis image, or at least one derived image derived from the at least one reconstructed basis image, or image features of the at least one reconstructed basis image or the at least one derived image, based on the representation of the posterior probability distribution. 前記機械学習画像再構成が深層学習画像再構成であり、前記少なくとも1つの機械学習システムが少なくとも1つのニューラルネットワークを含む、請求項20に記載のシステム(30、40、50、200)。 The system (30, 40, 50, 200) of claim 20, wherein the machine learning image reconstruction is deep learning image reconstruction and the at least one machine learning system includes at least one neural network. 前記1つ以上の信頼度表示が、前記少なくとも1つの再構成基底画像内の少なくとも1つの点についての誤差推定値又は統計的不確実性の尺度、及び/又は前記少なくとも1つの再構成基底画像から導出可能な少なくとも1つの画像測定値についての誤差推定値又は統計的不確実性の尺度を含む、請求項20又は21に記載のシステム(30、40、50、200)。 The system (30, 40, 50, 200) of claim 20 or 21, wherein the one or more confidence indications include an error estimate or a measure of statistical uncertainty for at least one point in the at least one reconstructed basis image and/or an error estimate or a measure of statistical uncertainty for at least one image measurement derivable from the at least one reconstructed basis image. 前記システム(30、40、50、200)は、前記少なくとも1つの再構成基底画像、又は前記少なくとも1つの再構成基底画像に由来する少なくとも1つの派生画像、又はそれらの画像特徴に対して、前記1つ又は複数の信頼度表示を1つ又は複数の不確実性マップの形態で生成するように構成される、請求項20から22のいずれかに記載のシステム(30、40、50、200)。 The system (30, 40, 50, 200) according to any of claims 20 to 22, configured to generate the one or more confidence indications in the form of one or more uncertainty maps for the at least one reconstructed basis image, or for at least one derived image derived from the at least one reconstructed basis image, or for image features thereof. 前記システム(30、40、50、200)は、コンピュータ断層撮影(CT)用の再構成された物質選択X線画像に対する信頼性マップの形態で前記1つ以上の信頼度表示を生成するように構成されている、請求項20乃至23のいずれかに記載のシステム(30、40、50、200)。 The system (30, 40, 50, 200) according to any of claims 20 to 23, wherein the system (30, 40, 50, 200) is configured to generate the one or more reliability indications in the form of a reliability map for a reconstructed material-selected X-ray image for computed tomography (CT). 前記システム(30、40、50、200)は、前記少なくとも1つの再構成基底画像またはその画像特徴を生成するために、入力としてのエネルギービンサイノグラムに基づいて、物質分解に基づく画像再構成および/または機械学習画像再構成を実行するようにさらに構成される、請求項20乃至24のいずれかに記載のシステム(30、40、50、200)。 The system (30, 40, 50, 200) according to any of claims 20 to 24, further configured to perform material decomposition based image reconstruction and/or machine learning image reconstruction based on an energy bin sinogram as input to generate the at least one reconstructed basis image or image features thereof. 前記システム(30、40、50、200)は、前記機械学習画像再構成が閾値以上の信頼度で判定できた再構成された物質選択X線画像の部分を強調するように前記信頼性マップを生成するように構成されている、請求項20乃至25のいずれかに記載のシステム(30、40、50、200)。 The system (30, 40, 50, 200) of any of claims 20 to 25, wherein the system (30, 40, 50, 200) is configured to generate the confidence map to highlight portions of the reconstructed material-selected X-ray image where the machine learning image reconstruction was determined with a confidence level equal to or greater than a threshold. CTにおける機械学習画像再構成のための1つ以上の信頼度表示を決定する請求項20乃至26のいずれかに記載のシステム(30、40、50、200)を含む画像再構成システム。 An image reconstruction system including a system (30, 40, 50, 200) according to any one of claims 20 to 26 for determining one or more confidence indications for machine learning image reconstruction in CT. 請求項27に記載の画像再構成システムを備えるX線撮像システム(100)。 An X-ray imaging system (100) comprising an image reconstruction system according to claim 27. コンピュータプログラム(225、235)であって、コンピュータ断層撮影システム(100)に関連する少なくとも1つのプロセッサ(30、40、50、210)によって実行されると、前記少なくとも1つのプロセッサ(30、40、50、210)に請求項1乃至19のいずれかに記載の方法を実行させる命令を含むコンピュータプログラム。 A computer program (225, 235) comprising instructions that, when executed by at least one processor (30, 40, 50, 210) associated with a computed tomography system (100), cause the at least one processor (30, 40, 50, 210) to perform a method according to any one of claims 1 to 19. 請求項29に記載のコンピュータプログラム(225、235)を担持する非一過性のコンピュータ可読記憶媒体(220、230)を含むコンピュータプログラム製品。


A computer program product comprising a non-transitory computer readable storage medium (220, 230) carrying a computer program (225, 235) according to claim 29.


JP2023562481A 2021-04-13 2022-04-06 Determining confidence indicators for deep learning image reconstruction in computed tomography Pending JP2024515595A (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202163174164P 2021-04-13 2021-04-13
US63/174,164 2021-04-13
PCT/SE2022/050344 WO2022220721A1 (en) 2021-04-13 2022-04-06 Determining a confidence indication for deep-learning image reconstruction in computed tomography

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2024515595A true JP2024515595A (en) 2024-04-10

Family

ID=83639858

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2023562481A Pending JP2024515595A (en) 2021-04-13 2022-04-06 Determining confidence indicators for deep learning image reconstruction in computed tomography

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20240193827A1 (en)
EP (1) EP4323967A1 (en)
JP (1) JP2024515595A (en)
CN (1) CN117355865A (en)
WO (1) WO2022220721A1 (en)

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6950493B2 (en) * 2003-06-25 2005-09-27 Besson Guy M Dynamic multi-spectral CT imaging
US9662081B2 (en) * 2013-05-15 2017-05-30 Kyoto University X-ray CT image processing method, X-ray CT image processing program, and X-ray CT image device
US9808216B2 (en) * 2014-06-20 2017-11-07 Marquette University Material decomposition of multi-spectral x-ray projections using neural networks
WO2016148616A1 (en) * 2015-03-18 2016-09-22 Prismatic Sensors Ab Image reconstruction based on energy-resolved image data from a photon-counting multi bin detector
US10335105B2 (en) * 2015-04-28 2019-07-02 Siemens Healthcare Gmbh Method and system for synthesizing virtual high dose or high kV computed tomography images from low dose or low kV computed tomography images
EP3338636B1 (en) * 2016-12-22 2024-02-28 Nokia Technologies Oy An apparatus and associated method for imaging
US10672153B2 (en) * 2018-04-23 2020-06-02 Elekta Ab (Publ) Posterior image sampling using statistical learning model
US10977842B2 (en) * 2018-06-04 2021-04-13 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Method for processing multi-directional X-ray computed tomography image using artificial neural network and apparatus therefor
US11039806B2 (en) * 2018-12-20 2021-06-22 Canon Medical Systems Corporation Apparatus and method that uses deep learning to correct computed tomography (CT) with sinogram completion of projection data
US10945695B2 (en) * 2018-12-21 2021-03-16 Canon Medical Systems Corporation Apparatus and method for dual-energy computed tomography (CT) image reconstruction using sparse kVp-switching and deep learning
EP3789963A1 (en) * 2019-09-06 2021-03-10 Koninklijke Philips N.V. Confidence map for neural network based limited angle artifact reduction in cone beam ct

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022220721A1 (en) 2022-10-20
US20240193827A1 (en) 2024-06-13
CN117355865A (en) 2024-01-05
EP4323967A1 (en) 2024-02-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10274439B2 (en) System and method for spectral x-ray imaging
US20210290193A1 (en) Apparatus and method that uses deep learning to correct computed tomography (ct) with sinogram completion of projection data
US10945695B2 (en) Apparatus and method for dual-energy computed tomography (CT) image reconstruction using sparse kVp-switching and deep learning
US10034646B2 (en) Material decomposition of multi-spectral X-ray projections using neural networks
JP2023159080A (en) Medical image processing apparatus and medical image processing system
JP2018140165A (en) Medical image generation device
JP5853123B2 (en) Dynamic modeling of imperfections for photon counting detectors
JP2016536032A (en) Concatenated reconstruction of electron density images
JP6793469B2 (en) Data processing equipment, X-ray CT equipment and data processing method
US11116470B2 (en) Beam hardening correction in x-ray dark-field imaging
JP2018057867A (en) Medical image processing device, x-ray computer tomographic imaging device and medical image processing method
JP7143330B2 (en) Method and apparatus for image reconstruction
US20150043795A1 (en) Image domain pansharpening method and system for spectral ct with large pixel energy discriminating detectors
JP2022113115A (en) Beam hardening calibration method, x-ray ct apparatus and beam hardening calibration program
CN114901148A (en) Apparatus for generating photon counting spectral image data
US20230326100A1 (en) Methods and systems related to x-ray imaging
US20230309937A1 (en) Spectral x-ray material decomposition method
JP2024515595A (en) Determining confidence indicators for deep learning image reconstruction in computed tomography
JP7061673B6 (en) Devices, systems, methods and computer programs for reconstructing spectral images of the region of interest of an object.
Persson Reconstruction of spectral CT images

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20231212

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20231212